Batterieforschung: Zwischen schnellerer Ladezeit und längerer Lebenszeit

Die verstärkte Entwicklung und Produktion von E-Autos macht auch das Feld der Forschung für neue Batterietechnologien für die Hersteller interessant. Die Ergebnisse einer Untersuchung der Universität von Michigan (USA) haben jetzt überraschenderweise eine bislang anerkannte Theorie in Frage gestellt, neue Erkenntnisse über die Verwendung von Material geliefert und ein neues Analyse-Tool geschaffen.

Dabei bewegen sich die Anforderungen an Material und Technik zwischen den Polen schnelle Aufladbarkeit und lange Haltbarkeit. Beide Ansprüche widersprechen sich bislang. Yiyang Li, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und korrespondierender Autor der Studie, drückt es so aus: „Auf einer Autoreise wollen wir nicht fünf Stunden warten, bis das Auto aufgeladen ist. Wir wollen es innerhalb von 15 oder 30 Minuten aufladen.“

Viele Unternehmen seien jedoch „daran interessiert, Batterien mit einer Lebensdauer von einer Million Kilometern herzustellen“, so Yiyang. Das Problem: Bei solchen Batterien dauert der Ladevorgang sehr lange.

Risse gut für einen kurzen Ladevorgang

Lithium-Ionen-Batterien werden in mehr als der Hälfte der Fahrzeuge verbaut. Sie enthalten eine Mischung mikroskopisch kleiner Partikel als Bausteine für die Kathode, bei denen man bislang davon ausgegangen ist, dass die Geschwindigkeit, mit der sich eine Kathode auflädt, vom Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen der Partikel abhängt. „Kleinere Partikel sollten sich schneller aufladen als größere, weil sie im Verhältnis zum Volumen eine größere Oberfläche haben, sodass die Lithiumionen kürzere Wege zurücklegen müssen, um durch sie zu diffundieren“.

Die Studienautoren fanden aber heraus, dass kleine Partikel keinen Vorteil beim Ladevorgang bieten, sie laden genauso schnell wie größere Teilchen, „was in krassem Gegensatz zum vorherrschenden Lithiumtransportmodell steht“, erklärten sie in ihrer Studie, die sie in der Fachzeitschrift „Energy and Environmental Science“ veröffentlichten.

Allerdings stellten sie fest, dass Risse in den polykristallinen Partikeln den Ladevorgang beschleunigen. Sie vermuten, dass „elektrochemische Reaktionen im Inneren von Sekundärpartikeln stattfinden, wahrscheinlich aufgrund des Eindringens von Elektrolyt in Risse.“ Der Nachteil von Rissen: Sie beeinträchtigen die Lebensdauer der Batterien, weshalb das Bestreben der Hersteller ist, diese so gering wie möglich zu halten.

Doch wie kommt die Beschleunigung zustande? Die Forscher gehen davon aus, dass sich die Batterieteilchen durch die zusätzliche Oberfläche an den klitzekleinen Rissen der Teilchen schneller laden und entladen können.

Jinhong Min, ein Doktorand in Materialwissenschaft und Technik, der im Lis-Labor arbeitet, erklärt: „Wir haben festgestellt, dass die Kathodenpartikel Risse aufweisen und aktivere Oberflächen haben, um Lithiumionen aufzunehmen – nicht nur auf ihrer äußeren Oberfläche, sondern auch im Inneren der Partikelrisse“. Batteriewissenschaftler wüssten zwar, dass es zu Rissen kommt, konnten aber nicht messen, wie sich diese Risse auf die Ladegeschwindigkeit auswirken.

Mess-Tool aus der Neurowissenschaft verwendet

Das war aber jetzt erstmals möglich. Die Forscher nutzten bei ihren Untersuchungen Arrays aus der Neurowissenschaft, mit denen normalerweise untersucht wird, wie einzelne Gehirnzellen elektrische Signale übertragen. Mithilfe der Arrays waren sie in der Lage, die Ladeeigenschaften einzelner Kathodenpartikel zu messen. Bislang war es lediglich möglich, einen Mittelwert der unterschiedlichen Partikelgrößen, aus denen eine Kathode besteht, zu errechnen.

Als Konsequenz aus ihren Beobachtungen empfehlen die Wissenschaftler die Verwendung von sogenannten ein- oder monokristallinen Partikeln ohne Risse, die gut für die Langlebigkeit wären. Um eine schnelle Ladegeschwindigkeit zu erreichen, müssten die verwendeten Partikel allerdings kleiner sein als die rissigen Kathodenpartikel. Sie zeigten sich allerdings skeptisch, ob solche Materialien in einem industriellen Maßstab zur Verfügung stehen werden oder ob sie eine zu geringere Energiedichte haben.

Die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse in Zukunft „eine bessere Entwicklung von effektiveren Energiespeichermaterialien sowie eine genauere Modellierung und Vorhersage des Batteriebetriebs für den Endverbraucher“ ermöglichen.