Fraunhofer: Batteriealterung erklärt

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Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft haben eine Erklärung dafür gefunden, warum gebrauchte Batterien rasant an Leistung verlieren.

Wissenschaftler haben eine Erklärung dafür gefunden, warum gebrauchte Batterien rasant an Leistung verlieren. Drei Jahre lange untersuchte das Zentrum für Angewandte Elektrochemie (ZfAE), Teil des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC) in Würzburg, im Rahmen eines EU-Projekts die Ursachen für Batteriealterung. Dafür standen dem Zentrum Altbatterien aus Elektroautos zur Verfügung, die ausführlich getestet und analysiert wurden.

Die alterungsbedingt nachlassende Leistung von Batterien und die daraus folgenden Reichweiten- und Restwertprobleme gehören zu den Faktoren, die derzeit noch einem Durchbruch der Elektromobilität entgegenstehen. Die meisten Batterien zeigen heute folgendes Verhalten: Ab einer Restkapazität von 80 Prozent erfährt ihre Leistungskurve einen deutlichen Knick nach unten und die nichtlineare, rapide Alterung beginnt. Im Auto müsste ein solcher Stromspeicher getauscht werden, was Kosten von mehreren Zehntausend Euro aufwirft und letztlich unwirtschaftlich ist.

Um die Gründe für diesen Alterungsprozess herauszufinden, untersuchten die Wissenschaftler Altbatterien aus der ersten Elektrofahrzeuggeneration und verglichen sie mit eigens gefertigten Laborzellen gleicher Bauweise. Sowohl die gebrauchten Batterien als auch die laborgefertigten Zellen – die einer kontrollierten, schnellen Alterung unterzogen wurden – durchliefen verschiedene mechanische, thermische und chemische Tests, deren Ergebnisse das ZfAE anschließend für die Analysen der Zellveränderungen nutzte.

Lithium-Abscheidung schädigt die Kathode

Die Wissenschaftler stellten fest, dass kurz vor dem Leistungsknick kleine Bereiche der Anode starke Beeinträchtigungen in Form eines metallischen Lithium-Schleiers aufwiesen – das sogenannte Lithium-Plating. Während die positive Elektrode kaum Veränderungen zeigte, war die negative Graphitelektrode durch Mikrorisse, Ablagerungen und das Lithium-Plating beeinträchtigt. Da das Plating teils irreversibel ist, griff der Vorgang im weiteren Verlauf auf benachbarte Bereiche über, und die Batterie erreichte ihr Lebensende.

Für das Abscheiden von Lithium an der Anode und den damit verbundenen Leistungsknick sind insbesondere zwei Faktoren entscheidend: Zu schnelles Laden führt zur Abscheidung von Lithium-Metall, sodass für weitere Ladezyklen immer weniger davon zur Verfügung steht. Außerdem konnten die Wissenschaftler des Fraunhofer ISC mittels Computertomografie feststellen, dass die anfänglich betroffenen Bereiche durch einen Ableiter – eine elektrische Verbindung zu den anderen Zellen – stärker komprimiert wurden als der Rest der Batterie. Daraus schlossen sie, dass der mechanische Druck eine lokale Überladung erzeugt, die zu massivem Lithium-Verlust führt und diesen Bereich zerstört. Somit verstärkt oder verzögert ein entsprechendes Zelldesign den Alterungsprozess. Solche mechanisch nicht ausgereiften Batterien sind für eine mögliche Zweitverwendung – beispielsweise als stationäre Energiespeicher – ungeeignet.

Ladevorgang muss genau gesteuert werden

Um das Lithium-Plating zu verhindern, können beispielsweise Batteriezellen gebaut werden, deren Ableiter so angebracht wird, dass lokale Verspannungen bzw. Druckspitzen vermieden werden können. Da auch zu hohe Laderaten, zu tiefe Entladung und zu niedrige Temperaturen den Alterungsvorgang beschleunigen, sollte darüber hinaus der Ladevorgang genau gesteuert werden.

Neben der Durchführung von Analysen und Tests zu bestimmten Batterietypen forscht das ZfAE an neuen Materialien und Zellkomponenten für leistungsfähigere und langlebigere Batterien. Dazu gehören funktionelle Schutzbeschichtungen für moderne Elektrodenmaterialien und Materialien für zukünftige Festkörperbatterien aus organisch-anorganischen Hybridpolymeren bis hin zu reinen Glaskeramiken, die eine hohe chemische Stabilität und damit eine längere Haltbarkeit gewährleisten.

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