Die bekannten Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus haben die Speichertechnik revolutioniert. Wider Erwarten treten allerdings auch dort mit der Zeit Effekte auf, die die Speicherfähigkeit schrittweise verringern. Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam fand heraus: Das Lithium ist ungleich verteilt und altert.

An der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TU München gingen Wissenschaftler um Anatoliy Senyshyn, Spezialist an einem Pulverdiffraktometer namens SPODI, den Ursachen auf den Grund, indem er Neutronenstreuung als Werkzeug nutzte, um zylindrische Lithium-Ionen-Akkus zu analysieren.Dabei fanden Sie heraus, dass Zersetzungsprodukte der Elektrolytflüssigkeit das bewegliche Lithium im Akku abfangen und das Lithium in der Zelle überraschend ungleich verteilt ist.
Die Abläufe im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle, wie beispielsweise ein sich zersetzender Elektrolyt oder die Verteilung des Lithiums, die während des Auf- und Entladens ablaufen, lassen sich ausserhalb der Zelle aufgrund der hohen Reaktivität der Zellbestandteile gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit nur schwer beobachten.

Grafik: Anatoly Senyshyn / TUM

Bei Lithium-Ionen-Zellen entsteht ein Stromfluss dadurch, dass ein Lithiumatom ein Elektron abgibt und dieses Elektron durch das angeschlossene Gerät fliesst. Innerhalb der Zelle wandert gleichzeitig ein Lithium-Ion von einer Elektrode zur anderen. Es stehen also immer nur so viele Elektronen wie Lithium-Ionen zur Verfügung. Verliert der Akku an Kapazität, so ist dies damit gleichzusetzen, dass Lithium «verloren» geht. Doch wohin verschwindet es?
Die Neutronenstreuexperimente an den Instrumenten STREss-SPEC und SPODI zeigten einen linearen Zusammenhang zwischen dem Verlust von beweglichen Lithium-Ionen und der Zersetzung des Elektrolyten, die beispielsweise beim Laden als ungewollte Nebenreaktion stattfindet.
Die dabei entstehenden Zersetzungsprodukte des Elektrolyten lagern Lithiumatome ein, die dann nicht mehr als bewegliches Lithium zur Verfügung stehen, um zwischen den beiden Elektroden ausgetauscht zu werden. So verliert der Akku an Kapazität: er altert.
Bei theoretischen Modellen, Berechnungen oder Messungen war bislang meist von einer gleichmässigen Verteilung des Lithiums ausgegangen worden. Die Untersuchungen ergaben, dass das Lithium von Anfang an sehr ungleich verteilt ist und die Inhomogenität mit der Zeit sogar noch steigt. Lithium-Ionen-Zellen könnten demnach noch deutlich verbessert werden, wenn Entwickler die ungleiche Verteilung berücksichtigten, sagt Anatoliy Senyshyn. Die Ergebnisse seien wichtig, um künftige Akkus noch effizienter, langlebiger und leistungsstärker zu machen.

Fotos: Heddergott / TUM 
Die Arbeit wurde
neben der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell auch durch das Bayern-Kalifornien Technologie Zentrum (BaCaTeC), sowie das U.S. Department of Energy im Rahmen der Forschung für neue Batteriematerialien unterstützt. An der Auswertung sind auch Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie, des Ames Laboratory der Iowa State University (USA), und des Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) sind beteiligt.

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