Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Philipp Adelhelm (HZB und Humboldt-Universität) hat in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und der Universität Aalborg in Dänemark eine vielversprechende Entdeckung gemacht: Das Laden von Lithium-Ionen-Batterien mit einem hochfrequenten, gepulsten Strom reduziert Alterungseffekte und könnte deren Lebensdauer signifikant verlängern. Die Ergebnisse, die besonders durch Experimente an der Röntgenquelle BESSY II hervorgehoben wurden, zeigen einen innovativen Weg, um die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von Batterien zu verbessern.
Die Herausforderung der Batteriealterung
Lithium-Ionen-Batterien im Fokus
Lithium-Ionen-Batterien sind wegen ihrer hohen Leistungsfähigkeit aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken, doch ihre Kapazität verringert sich allmählich über Hunderte von Ladezyklen. Die besten kommerziellen Batterien, bestehend aus NMC532 (LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2) und Graphit, erreichen eine Lebensdauer von bis zu acht Jahren. Traditionell werden Batterien mit einem konstanten Strom geladen. Die Forschungsgruppe um Prof. Philipp Adelhelm stellte nun die Frage, ob dies tatsächlich die beste Methode ist.
Neue Ladeprotokolle im Vergleich
Die Studie, veröffentlicht in Advanced Energy Materials, vergleicht konventionelles Laden mit konstantem Strom (CC) und ein neues Ladeprotokoll mit gepulstem Strom (PC). Die Analyse nach mehreren Ladezyklen zeigte deutliche Unterschiede: Bei CC-geladenen Batterien war die feste Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) an der Anode merklich dicker, was die Kapazität beeinträchtigte. Zudem wurden mehr Risse in der Struktur der NMC532- und Graphitelektroden festgestellt. PC-geladenen Batterien wiesen hingegen eine dünnere SEI-Schicht und weniger strukturelle Veränderungen in den Elektrodenmaterialien auf.
Einblick durch Synchrotron-Experimente
Vorteile des gepulsten Ladens
Die Untersuchungen von HZB-Forscher Dr. Yaolin Xu mittels operando Raman-Spektroskopie, Dilatometrie und Röntgenabsorptionsspektroskopie an BESSY II und ergänzende Experimente am PETRA III-Synchrotron enthüllten, dass das gepulste Laden die homogene Verteilung der Lithiumionen im Graphit fördert und so mechanischen Stress sowie Rissbildung reduziert. Dies verbessert die strukturelle Stabilität der Graphitanode. Auch die strukturellen Veränderungen des NMC532-Kathodenmaterials werden durch das gepulste Laden verringert, was zu weniger Variation in der Ni-O-Bindungslänge führt.
Die entscheidende Rolle der Frequenz
Entscheidend ist jedoch die Frequenz des gepulsten Stroms: Hochfrequente PC-Ladeprotokolle mit quadratischem Wellenstrom verdoppeln die Lebensdauer kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien, wie die Studie zeigt. Co-Autorin Prof. Dr. Julia Kowal, Expertin für elektrische Energiespeichertechnologie an der TU Berlin, betont: „Gepulstes Laden könnte viele Vorteile in Bezug auf die Stabilität der Elektrodenmaterialien und der Grenzflächen bringen und die Lebensdauer von Batterien erheblich verlängern.“
Diese Erkenntnisse könnten weitreichende Implikationen für die Batterietechnologie und deren Anwendung in Elektrofahrzeugen und elektronischen Geräten haben, indem sie einen nachhaltigeren und effizienteren Umgang mit Batterieressourcen ermöglichen.
