Akkutechnologie

Hitze verlängert die Lebensdauer von Akkus

| Autor: Thomas Kuther

Mit bloßem Auge zu sehen: Lithium-Dendriten auf der Anode eines Akkus
Mit bloßem Auge zu sehen: Lithium-Dendriten auf der Anode eines Akkus (Bild: Asghar Aryanfar, California Institute of Technology)

Es wäre sicher keine gute Idee, ein Smartphone in einen Toaster zu stecken. Aber vielleicht wird es bald schon völlig normal sein, das Smartphone aufzuheizen, wenn es nicht benötigt wird – damit die Akkus länger halten.

Im Laufe der Zeit wachsen auf den Elektroden im Innern einer Akkuzelle verzweigte Fäden, so genannte Dendriten, die Kurzschlüsse verursachen, die letztendlich die Akkuzelle zerstören. Wissenschaftler am California Institute of Technology (Caltech) haben nun herausgefunden, dass solche Dendriten bei höheren Temperaturen zerstört werden, was die Lebensdauer eines Akkus verlängert.

Wie ein Akku funktioniert

Eine Akkuzelle besteht aus einer positiven und einer negativen Elektrode, der Kathode bzw. der Anode. Wird dem Akku nun Strom entnommen, so fließen Elektronen von der Anode durch einen externen Stromkreis zurück in die Kathode des Akkus. Die Anode besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Lithium. Die Atome der Anode, die zur Stromgewinnung Elektronen abgegeben haben werden zu Ionen, die zur durch den Elektrolyten der Akkuzelle zur Kathode wandern.

In 24 Stunden bei 2 mA/cm² gewachsene Lithium-Dendriten, vor (links) und nach (rechts) dem Durchlaufen eines 78 °C heißen Ölbads. Die befallene Fläche ist von 64% auf 41% zurückgegangen.
In 24 Stunden bei 2 mA/cm² gewachsene Lithium-Dendriten, vor (links) und nach (rechts) dem Durchlaufen eines 78 °C heißen Ölbads. Die befallene Fläche ist von 64% auf 41% zurückgegangen. (Bild: Asghar Aryanfar, California Institute of Technology)

Beim Laden des Akkus wird dieser Prozess umgekehrt: Die Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück zur Anode, wo sie die dort einfließenden Elektronen aufnehmen und wieder zu ungeladenen Anodenatomen werden. Allerdings lagern sich diese Atome nicht glatt an der Anode an, sondern formen mikroskopisch kleine Beulen, die nach vielen Ladevorgängen zu langen, verästelten Fäden anwachsen können. Wenn diese Dendriten schließlich so lange sind, dass sie die Kathode berühren, entsteht ein Kurzschluss. Nun fließt der elektrische Strom nicht durch den externen Stromkreis, sondern im Innern des Akkus von der Anode durch die Dendriten zur Kathode – der Akku ist tot.

Dendriten können Akku in Brand setzen

Der durch sie fließende Strom erhitzt die Dendriten, und da der Elektrolyt entflammbar ist, kann es zum Brand kommen. Aber auch wenn die Dendriten keinen inneren Kurzschluss verursachen, so können sie doch von der Anode abbrechen und schwimmen dann frei im flüssigen Elektrolyten. Auf diese Weise verliert die Anode Material und der Akku verliert an Kapazität, weil er dann weniger Energie speichern kann. „Dendrite sind riskant und reduzieren die Kapazität des Akkus“, erklärt Asghar Aryanfar, der Caltech-Wissenschaftler, der die neue Studie geleitet hat, die kürzlich als Titelgeschichte in The Journal of Chemical Physics von AIP Publishing erschien.

Auch wenn sich die Wissenschaftler bei ihren Forschungen auf Lithium-Ionen-Akkus konzentriert haben, die derzeit zu den effizientesten Stromspeichern zählen, sind die Ergebnisse auf andere Akkus übertragbar. „Das Dendrit-Problem tritt bei allen wieder aufladbaren Batterien auf“, so Asghar Aryanfar weiter.

Wärme zerstört die Dendriten

Die Wissenschaftler ließen Dendrite auf der Anode eines Testakkus wachsen und erhitzten sie dabei mehrere Tage lang. Dabei fanden sie heraus, dass bei Temperaturen bis 55 °C das Dendritenwachstum um bis zu 36% zurückging. Um herauszufinden, was genau diesen Rückgang bewirkt, simulierten die Wissenschaftler die Erwärmung mithilfe eines Computers und betrachteten deren Wirkung auf einzelne Lithium-Atome, welche die Dendriten bilden. Dabei wurde von der einfachen Geometrie einer Pyramide ausgegangen.

Die Simulationen zeigten, dass erhöhte Temperaturen die Atome zu zweierlei Bewegungen anregten. Das Atom an der Spitze der Pyramide kann auf niedrigere Stufen zurückfallen. Ein Atom auf niedrigerem Niveau kann sich entfernen und einen freien Platz hinterlassen, der von einem anderen Atom eingenommen wird. Auf diese Weise wandern die Atome ständig umher, was genügend Bewegung erzeugt, um die Dendriten zu kippen.

Hitze reaktiviert den Akku

Indem die Wissenschaftler erforschten, wie viel Energie notwendig ist, um die Dendritenstruktur zu zerstören, so Aryanfar, können sie die Charakteristik der Strukturen besser verstehen. Es gibt viele Faktoren welche die Lebensdauer eines Akkus bei höheren Temperaturen beeinflussen – etwa die Tendenz, sich selbst zu entladen oder das Auftreten anderer chemischer Nebenreaktionen – dass zum Wiederbeleben eines Akkus nur etwas Hitze nötig ist.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 43639427 / Stromversorgungen)