Ein Team internationaler Forscher der University of Colorado Boulder hat den Mechanismus entdeckt, der zum Kapazitätsverlust bei Lithium-Ionen-Batterien führt. Diese Erkenntnis könnte zur Entwicklung langlebigerer Batterien beitragen, die Elektrofahrzeuge (EVs) weiter fahren lassen und die Energiewende vorantreiben.
Verborgene Prozesse der Batteriedegradation entdeckt
Das Phänomen, dass Batterien über die Zeit an Kapazität verlieren, ist allseits bekannt. Vor allem bei älteren Smartphones fällt dies auf, da diese schneller entladen sind. Bislang war der genaue Grund für diese Selbstentladung jedoch unklar. Nun hat ein Forscherteam herausgefunden, dass die Kapazität von Batterien sinkt, weil Wasserstoffmoleküle in den Elektrolyten der Batterie Plätze an der Kathode besetzen, die eigentlich für Lithium-Ionen reserviert sind. Dadurch können weniger Lithium-Ionen an der Kathode binden, was den Stromfluss schwächt und die Kapazität der Batterie verringert.
Lithium-Ionen-Batterien ohne Kobalt: Eine umweltfreundlichere Lösung
Lithium-Ionen-Batterien sind der Schlüssel für viele elektronische Geräte und Elektrofahrzeuge. Die Forscher konzentrieren sich seit Jahren auf die Entwicklung kobaltfreier Batterien, um die ökologischen und ethischen Bedenken beim Abbau dieses Rohstoffs zu umgehen. Der Abbau von Kobalt, insbesondere in der Demokratischen Republik Kongo, ist oft mit erheblichen Umwelt- und Menschenrechtsproblemen verbunden, darunter der Einsatz von Kinderarbeit.
Trotz vielversprechender Ansätze, Kobalt durch Elemente wie Nickel oder Magnesium zu ersetzen, bleibt das Problem der Selbstentladung bestehen. Viele Elektrofahrzeug-Batterien müssen nach etwa sieben bis zehn Jahren ausgetauscht werden, was hohe Kosten für Verbraucher und Umwelt verursacht.
Verbesserungspotenzial: Mehr Reichweite, längere Lebensdauer
Die Ergebnisse der Studie könnten einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Batterietechnologie leisten. Elektrofahrzeuge haben aktuell eine begrenzte Reichweite und kürzere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. So beträgt die Reichweite eines typischen E-Autos in den USA etwa 250 Meilen pro Ladung – das sind nur 60 % der Reichweite eines Benziners.
“Jetzt, da wir den Mechanismus der Selbstentladung kennen, können wir gezielte Lösungen entwickeln”,
erklärt Michael Toney, Leiter der Studie. Mögliche Ansätze könnten darin bestehen, die Kathode mit speziellen Materialien zu beschichten, um den Wasserstofffluss zu blockieren, oder einen anderen Elektrolyten zu verwenden.
Bedeutung für die Energiewende
Der Verkehrssektor ist in den USA für etwa 28 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Eine Verbesserung der Batterien könnte nicht nur die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen, sondern auch die Produktionskosten senken und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern. Dies wäre ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigen Energienutzung und einer Reduktion der Emissionen im Verkehrssektor.
Fazit: Die Zukunft der Batterien
Die Entdeckung der molekularen Ursachen für den Kapazitätsverlust von Batterien eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung von Energiespeichern, die über Elektrofahrzeuge hinaus auch in der Energiewende von zentraler Bedeutung sind. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich nicht nur langlebigere EV-Batterien entwickeln, sondern auch effizientere Stromspeicherlösungen für Haushalte und die Industrie.
