Warum altern Batterien?

  

(1.3.2016) Drei Jahre lang untersuchte das Zentrum für Ange­wandte Elektrochemie ZfAE, Teil des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg, im EU-Projekt ABattReLife die Ursachen für Batteriealterung. Dafür standen dem Zen­trum Altbatterien aus Elektroautos zur Verfügung, die aus­führlich getestet und analysiert wurden. Im „Journal of Ener­gy Storage“ stellt das ZfAE nun seine Analyseergebnisse im Detail vor.

Verhaltensänderung ab einer Restkapazität von 80%

In Deutschland stieg in den letzten Jahren die Nutzung von Elektrofahrzeugen wie Elektroautos oder E-Bikes kontinuier­lich an. Umso größer ist der Bedarf nach sicheren, langlebi­gen und zuverlässigen Energiespeichern, die den Ausbau der Elektromobilität weiter vorantreiben können. Hersteller fokussieren sich daher auf die Entwicklung von Batterien mit längerer Lebensdauer und größeren Reichweiten. Doch dafür müssen zunächst die Ursachen für Alterung und nachlassende Leistung von Bat­terien geklärt werden, um dann mögliche Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.

Ab einer Restkapazität von 80% zeigen die meisten Batterien eine Änderung ihres Ver­haltens: Ihre Leistungskurve erfährt einen deutlichen Knick und die nichtlineare, rapi­de Alterung beginnt. Um die Gründe hierfür herauszufinden, untersuchte das ZfAE Alt­batterien aus der ersten Elektrofahrzeuggeneration und verglich sie mit eigens gefer­tigten Laborzellen gleicher Bauweise, die einer kontrollierten, schnellen Alterung unter­zogen wurden. Sowohl die gebrauchten Batterien als auch die laborgefertigten Zellen durchliefen verschiedene mechanische, thermische und chemische Tests.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass kurz vor dem Leistungsknick kleine Bereiche der Kathode starke Beeinträchtigungen aufwiesen: Während die positive Elektrode kaum Veränderungen zeigte, war die negative Graphitelektrode durch Mikrorisse, Ab­lagerun­gen und einen metallischen Lithiumschleier - das sogenannte 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 Kathode und den damit verbundenen Leis­tungsknick sind insbesondere zwei Faktoren entscheidend:

• Zu schnelles Laden führt zur Abscheidung von Lithium-Metall, so dass für wei­tere Ladezyklen immer weniger Lithium zur Verfügung steht.
• Außerdem konnten die Wissenschaftler mittels Computertomographie feststel­len, dass die anfänglich betroffenen Bereiche durch einen Ableiter stärker kom­primiert wurden als der Rest der Batterie. Daraus ließ sich schließen, dass der mechanische Druck eine lokale Überladung erzeugt, die zu massivem Lithium­verlust 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.

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 hohe Entladetiefen und zu niedrige Temperaturen den Alterungsvorgang beschleunigen, sollte darüber hi­naus der Ladevorgang genau gesteuert werden, so dass Ladetemperatur, -geschwin­digkeit und -spannung kontrolliert ablaufen.

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.

Mehr Informationen zum Thema Batteriealterung liefert der frei zugängliche Artikel „Nonlinear aging of cylindrical lithium-ion cells linked to heterogeneous compression“ (Tobias Bach, Simon Schuster, Elena Fleder, Jana Müller, Martin J. Brand, Henning Lorrmann, Andreas Jossen und Gerhard
Sextl) im „Journal of Energy Storage“.