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Tobias Bach des Fraunhofer ISC zeigte den Teilnehmern einen Batteriezyklisierer mit angeschlossenen Temperaturkammern, in denen verschiedene Batterietypen gezielt gealtert und untersucht wurden.
L. Hirnickel für Fraunhofer ISC

Tobias Bach des Fraunhofer ISC zeigte den Teilnehmern einen Batteriezyklisierer mit angeschlossenen Temperaturkammern, in denen verschiedene Batterietypen gezielt gealtert und untersucht wurden.

Um Batterien mit längerer Lebensdauer und größeren Reichweiten zu entwickeln, müssen die Ursachen für Alterung und nachlassende Leistung der Akkus geklärt werden. Im Rahmen des EU-Projekts ABattReLife untersuchte das zum Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg gehörende Zentrum für Angewandte Elektrochemie ZfAE 3 Jahre lang die Ursachen für die Batteriealterung. Die Wissenschaftler testeten und analysierten dabei Altbatterien aus Elektroautos. Nun hat die Projektgruppe ihre Analyseergebnisse im "Journal of Energy Storage" detailliert vorgestellt.

Die meisten Batterien zeigen ab einer Restkapazität von 80 Prozent eine Änderung ihres Verhaltens: die Leistung sinkt und die Alterung schreitet deutlich schneller voran als zuvor. Um die Ursachen für diesen Alterungsprozess herauszufinden, verglich das Zentrum für Angewandte Elektrochemie im Projekt ABattReLife Altbatterien aus der ersten Elektroauto-Generation mit eigens gefertigten Laborzellen gleicher Bauweise. Die gebrauchten Batterien und die laborgefertigten Zellen wurden einer kontrollierten, schnellen Alterung unterzogen und durchliefen dabei verschiedene mechanische, thermische und chemische Tests. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass kurz vor dem Leistungsknick kleine Bereiche der Kathode starke Beeinträchtigungen in Form eines metallischen Lithiumschleiers – das sogenannte Lithium-Plating – aufwiesen. Während die positive Elektrode sich kaum kaum veränderte, zeigte die negative Graphitelektrode Beeinträchtigungen durch Mikrorisse, Ablagerungen und das Lithium-Plating. Infolge des teils irreversiblen Platings griff der Vorgang im weiteren Verlauf auf benachbarte Bereiche über und die Batterie erreichte ihr Lebensende.

2 Faktoren für Leistungseinbußen verantwortlich 

 

Die ISC-Wissenschaftler machten v.a. 2 Faktoren aus, die für das Abscheiden von Lithium an der Kathode und den damit verbundenen Leistungsknick verantwortlich sein sollen: Zu schnelles Laden, das zur Abscheidung von Lithium-Metall führt, und ein bestimmtes Zelldesign, das dazu führt, dass anfänglich betroffene Bereiche durch einen Ableiter stärker komprimiert werden als der Rest der Batterie. Der dabei entstandene mechanischer Druck erzeugt eine lokale Überladung, die zu massivem Lithiumverlust führt und diesen Bereich zerstört. Solche mechanisch nicht ausgereiften Batterien seien für eine mögliche Zweitverwendung, bspw. als stationäre Energiespeicher, ungeeignet, so die Forscher.

Um das Lithium-Plating zu verhindern, können beispielsweise Batteriezellen gebaut werden, deren Ableiter so angebracht wird, dass lokale Verspannungen bzw. Druckspitzen vermieden werden können. Zudem sollte auch der Ladevorgang genau gesteuert werden, sodass Ladetemperatur, -geschwindigkeit und -spannung kontrolliert ablaufen können, denn auch zu hohe Laderaten, zu hohe Entladetiefen und zu niedrige Temperaturen können den Alterungsvorgang beschleunigen.

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