Was ist der wahre Grund für die Alterung der Batterie?

Eine aktuelle Studie der Stanford University zum Verhalten winziger Partikel in Elektroden von Lithiumbatterien hat ergeben, dass das schnelle Aufladen der Batterie und der anschließende Einsatz für leistungsintensive, schnell verbrauchende Aufgaben der Batterie möglicherweise nicht so großen Schaden zufügt wie von den Forschern erwartet. Zudem werden die Vorteile des langsamen Aufladens und Verbrauchs möglicherweise übertrieben dargestellt.

Die Ergebnisse stellen die vorherrschende Ansicht in Frage, dass zum „Superladen“ von Batterien mehr Elektroden erforderlich seien als zum langsamen Laden, sagen Forscher der Stanford University und von Stanford Materials and Energy Sciences (SIMES) am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums. Sie sagen außerdem, dass es den Wissenschaftlern möglicherweise gelingen könnte, die Elektroden oder die Lademethode der Batterie zu ändern, um einen gleichmäßigeren Lade- und Entladevorgang zu ermöglichen und so die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

„Die Details der chemischen Prozesse, die während des Ladens und Entladens in den Elektroden ablaufen, sind nur einer von vielen Faktoren, die die Lebensdauer der Batterie bestimmen, aber sie waren vor dieser Studie nicht vollständig verstanden“, sagte der leitende Autor William Chueh, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Stanford und Direktor von SIMES. „Wir haben eine neue Methode entdeckt, um die Alterung von Batterien zu untersuchen.“ Diese Erkenntnisse lassen sich direkt auf die Oxid- und Graphitelektroden übertragen, die in vielen modernen kommerziellen Lithiumbatterien verwendet werden.

Die Forschungsergebnisse wurden am 14. September in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht. Zum Forschungsteam gehören außerdem Forschungsmitarbeiter vom Massachusetts Institute of Technology, den Sandia National Laboratories, dem Samsung Advanced Institute of Technology in Südkorea und dem Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA.

Beobachtung der Ionen in der Batterie

Eine wichtige Ursache für Batterieverluste ist die Ausdehnung und Kontraktion der positiven und negativen Elektroden, wenn diese während des Lade- und Entladevorgangs Ionen aus dem Elektrolyt aufnehmen und abgeben. In dieser Studie untersuchten die Wissenschaftler positive Elektroden, die aus Milliarden von Lithium-Eisenphosphat-Nanopartikeln bestehen, die Ionen relativ gleichmäßig aufnehmen und abgeben, wenn die meisten oder alle Ionen aktiv am Lade- und Entladevorgang beteiligt sind. Wenn jedoch nur wenige Partikel alle Ionen absorbieren, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass sie auseinanderbrechen und beschädigt werden, was die Lebensdauer der Batterie verkürzt.

Frühere Studien haben widersprüchliche Ansichten über die Eigenschaften und das Verhalten von Nanopartikeln hervorgebracht. Um dies weiter zu untersuchen, erstellten die Forscher kleine Knopfzellen, luden sie für unterschiedliche Zeiträume mit unterschiedlichen Stromstärken auf, trennten sie dann schnell wieder und spülten die Komponenten, um den Lade-/Entladevorgang zu stoppen. Anschließend schnitten die Wissenschaftler die Elektroden in sehr dünne Scheiben und schickten sie zur Untersuchung mit der intensiven Röntgenstrahllinie des Advanced Light Source-Synchrotrons an das Berkeley National Laboratory.

Neue Erkenntnisse zur Schnellentladung

„Wir können Tausende von Elektroden-Nanopartikeln gleichzeitig untersuchen und Momentaufnahmen von verschiedenen Stadien des Lade- und Entladeprozesses machen“, sagte der Hauptautor Yiyang Li, ein Doktorand an der Stanford University. „Diese Studie ist die erste detaillierte und umfassende Untersuchung der Lade- und Entladeprozesse unter verschiedenen Lade- und Entladebedingungen.“

Durch die Analyse der Daten mithilfe eines ausgeklügelten, am MIT entwickelten Modells stellten die Forscher fest, dass während des Ladevorgangs nur ein kleiner Teil der Nanopartikel Ionen absorbiert und freisetzt, obwohl der Vorgang sehr schnell abläuft. Doch wenn die Batterie entladen wird, geschieht etwas Interessantes: Wenn die Entladerate über einen bestimmten Grenzwert steigt, beginnen immer mehr Partikel synchron Ionen zu absorbieren und es entsteht ein einheitlicheres, weniger schädliches Muster. Dies lässt darauf schließen, dass es Wissenschaftlern möglicherweise gelingt, die Elektrodenmaterialien oder den Prozess zu optimieren, um eine längere Batterielebensdauer oder schnellere Lade- und Entladeraten zu ermöglichen.

Der nächste Schritt besteht laut Li darin, die Batterieelektroden Hunderten oder sogar Tausenden von Zyklen zu unterziehen, um reale Bedingungen zu simulieren. Wissenschaftler möchten in der Lage sein, Schnappschüsse einer Batterie während des Ladens und Entladens zu machen, anstatt den Prozess zu unterbrechen und die Batteriekomponenten zu trennen.

Dies sollte realistischere Erkenntnisse liefern und der Prozess kann an einem Synchrotron wie dem ALS oder der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource am SLAC durchgeführt werden. Li sagte außerdem, dass das Forschungsteam derzeit eng mit der Industrie zusammenarbeite, um zu untersuchen, wie diese Erkenntnisse in den Bereichen Transport und Unterhaltungselektronik angewendet werden könnten.

Die Forschung wurde vom Samsung Advanced Institute of Technology Global Innovation Extension Program in Südkorea, der Stanford School of Engineering und der Precourt School of Energy, dem Samsung-MIT Materials Design for Energy Applications Program und dem US-Energieministerium unterstützt.

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