Ladepausen für ein längeres Batterieleben

Mal eine Pause einzulegen, ist nicht nur im Alltag oft eine gute Idee, sondern offenbar auch beim Schnellladen von Lithium-Ionen-Akkus. Mehrminütige Pausen zu bestimmten Zeitpunkten des Ladeprozesses helfen, Kapazitätseinbußen zu verringern und die Lebensdauer der Batterien zu erhöhen. Das jedenfalls berichtet ein internationales Team um Xuekun Lu von der Queen Mary University of London im Fachblatt Nature Communications.

Die neuen Erkenntnisse sollen helfen, ein altbekanntes Problem in den Griff zu bekommen: An der negativen Elektrode aus Graphit, in dessen Poren sich die Lithium-Ionen eigentlich nur einlagern sollen, bildet sich beim Schnellladen oft eine Schicht aus metallischem Lithium, die durch mehrfaches Laden zu astartigen Gebilden (sogenannten Dendriten) weiterwachsen kann. Das Lithium-Metall blockiert die aktive Oberfläche der Elektrode, was die Kapazität und Lebenserwartung der Batterie mindert. Außerdem kann es zu gefährlichen Kurzschlüssen und Bränden kommen, wenn die Dendriten die Gegenelektrode erreichen.

Weniger Metall durch schlaue Pausen

Die Forschenden aus London haben die physikalisch-chemischen Prozesse beim Schnellladen nun einmal gründlich unter Lupe genommen. Dazu haben sie erstmals mit einem 3D-Modell in Kombination mit einem optischen Mikroskop gearbeitet und Ladeprozesse mit unterschiedlichen Ladeströmen und Unterbrechungen in Echtzeit beobachtet und beschrieben. Das neue Modell berücksichtigt, dass sich die Litium-Ionen nicht gleichmäßig in der Elektrode verteilen, sondern sich an bestimmten Stellen anreichern. "Mit der Hilfe des wegweisenden 3D-Modells für Batterien können wir erfassen, wann und wo die Ablagerung von Lithium-Metall initiiert wird und wie schnell die Schicht wächst", sagt Lu.

Die Forscher entdeckten dabei, dass es sich lohnt, den Ladeprozess zu bestimmten Zeiten für wenige Minuten zu stoppen. Nämlich dann, wenn die Elektrode außen, also am direkten Kontakt zur Batterieflüssigkeit, fast vollständig mit Lithium-Ionen bedeckt ist – kurz bevor sich eine metallische Lithiumschicht bildet. Stoppt der Ladevorgang in diesem Moment, verschafft dies den Lithium-Ionen offenbar Zeit, weiter ins Innere der Elektrode einzudringen und die Oberfläche für weitere Lithium-Ionen wieder freizumachen.

Mit diesem Wissen lassen sich Lu zufolge die Protokolle fürs Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien optimieren, die steuern, wann wie viel Strom fließen soll. "Das ist ein bedeutender Durchbruch, der einen großen Einfluss auf die Entwicklung künftiger Elektroautos haben könnte", glaubt der Forscher.

Robin Drees, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB, hält die Studie für einen wertvollen Beitrag. "Die Erkenntnis, dass Ladepausen helfen, ist zwar nicht neu und wird schon heute beim gepulsten Schnellladeverfahren genutzt. Aber genau zu sehen, in welchem Moment sie am besten wirken, dafür fehlte bisher das Verständnis und das konnten die Forscher mit Ihrer Studie klären." Allerdings handele es sich bisher nur Laborergebnisse und ob sich diese auf beispielsweise eine große Autobatterie anwenden lassen, müsse erst noch gezeigt werden.

(bsc)