Batterien: Entdeckter Mechanismus kann Akkus für E-Autos klar verbessern | ABC-Z

Eine internationale Forschergruppe hat einen Mechanismus entdeckt, der zu einer Verringerung der Ladekapazität von Lithium-Ionen-Batterien führt. Dabei belegen Wasserstoff-Ionen die Bindeplätze für Lithium-Ionen. Die Entdeckung könnte als Ausgangspunkt für eine Weiterentwicklung dieser Akkus dienen, die den Mechanismus unterbindet und beispielsweise zu einer größeren Reichweite von Elektroautos führt.

Eine Studie dazu hat ein Team um Michael Toney von der University of Colorado in Boulder (USA) in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Eine bessere Batterie ist sehr wichtig, um unsere Energieinfrastruktur von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen umzustellen“, wird Toney in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Denn Lithium-Ionen-Batterien stecken nicht nur in Elektroautos, sondern inzwischen auch in Flugzeugen.

Ebenso werden heute viele Geräte des Alltags, vom Smartphone über den Laptop und das Elektrofahrrad bis hin zum Akku-Schrauber, durch Lithium-Ionen-Batterien angetrieben. Doch die komplexen elektrochemischen Vorgänge in solchen Akkus beim Entladen und Laden sind noch nicht vollständig verstanden.

Toney und Kollegen nutzten starke Röntgenstrahlen und Computermodelle, um die Vorgänge in sogenannten NMC-Batterien aufzuklären. „NMC“ steht für Nickel, Mangan und Kobalt (englisch: cobalt), die zusammen mit Lithium eine Legierung bilden, deren Oxid als positive Elektrode in einem Akku dient. Das Metalloxid stellt Lithium-Ionen, also elektrisch geladene Teilchen, zur Verfügung, die beim Laden des Akkus zum Minuspol wandern. Beim Entladen oder Nutzen der elektrischen Energie kehrt sich der Strom der Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden um.

Die Lithium-Ionen brauchen an beiden Elektroden, der Kathode und der Anode, eine Stelle, an die sie sich chemisch binden können. Die Studienautoren konnten mit ihren Messungen und Analysen belegen, dass Wasserstoff-Ionen genau diese Bindeplätze blockieren, sodass die Lithium-Ionen dort nicht andocken können. Das schwächt den elektrischen Strom und verringert die Kapazität der Batterie.

Die Wissenschaftler fanden auch die Quelle für die Wasserstoff-Ionen: Es sind die Methylengruppen, bestehend aus einem Kohlenstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Sie kommen in größerer Zahl in allen üblicherweise verwendeten Elektrolyten vor, den Flüssigkeiten zwischen den Elektroden.

Die Forscher sind davon überzeugt, dass ihre Erkenntnisse dabei helfen werden, die Elektrochemie von Lithium-Ionen-Batterien besser zu gestalten. Auf dieser Basis schlagen sie vor, niedrigere Abschaltspannungen zu verwenden und Zusätze ohne Methylengruppen in die Elektrolyten zu geben.

Eine Studie von 2018 ergab den Forschern zufolge, dass Additive ohne Methylengruppen den Spannungsabfall von Lithium-Ionen-Batterien reduzieren können. Außerdem könnte eine Oberflächenbeschichtung der Kathode den entdeckten Degradierungsmechanismus abschwächen.

Ein wichtiges Ziel der Forschung an Lithium-Ionen-Batterie ist das Ersetzen von Kobalt. Denn Kobalt ist sehr selten und daher teuer und es wird oft unter menschenunwürdigen Bedingungen gefördert. Allerdings ist die Verringerung der Ladekapazität bei Lithium-Ionen-Batterien, in denen der Kobaltanteil stark reduziert ist, noch gravierender als in Batterien mit mehr Kobalt. Auch hier könnten die neuen Erkenntnisse helfen.