Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neutronen klären Alterungsprozess in Lithiumionen-Akkus: Ewige Jugend für Batterien?

17.11.2015

Ein wichtiges Problem von Lithiumionen-Akkus ist ihre Alterung. Sie mindert die erzielbare Speicherkapazität erheblich. Bisher ist nur wenig darüber bekannt, wie es dazu kommt. Wissenschaftler des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie und der Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) sind der Aufklärung der Ursachen in ihren neuesten Experimenten ein gutes Stück näher gekommen.

Lithiumionen-Akkus mit Graphit-Anode sind eine relative junge Entwicklung. Erst 1989 wurden sie zum Patent angemeldet und sind seit 1991 in elektrischen Geräten im Einsatz. Seither haben sie einen weltweiten Siegeszug angetreten und dienen heute nicht nur in elektrischen Kleingeräten sondern auch Elektroautomobilen, Flugzeugen und sogar in Lokomotiven. Zukünftig sollen sie auch als
große Zwischenspeicher mit Megawatt-Kapazitäten dienen.


Dr. Stefan Seidlmayer mit Dr. Petra Kudejová am Instrument PGAA des FRM II

Bild: Claudia Niiranen / TUM


Irmgard Buchberger am Röntgen-Diffraktometer

Bild: Andreas Battenberg / TUM

Einen ersten starken Kapazitätsverlust erleidet ein Akku mit Graphit-Anode bereits beim ersten Ladezyklus der Zelle, dem Formierungsschritt. Hier verliert er bis zu 10 Prozent seiner Kapazität. Bei jedem weiteren Lade- und Entladevorgang sinkt die Kapazität weiter, wenn auch nur geringfügig. Auch bei bloßer Lagerung, vor allem bei Temperaturen über der Raumtemperatur, geht weitere Kapazität verloren.

Für diese Alterungseffekte hat die Physik zwar mehrere Ideen, aber noch keine endgültige Erklärung gefunden. TUM-Wissenschaftler des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie und aus dem FRM II sind dem in ihren neuesten Experimenten ein gutes Stück näher gekommen.

Spurensuche mit Röntgenstrahlung und Neutronen

Um den Alterungsmechanismus zu verstehen und die Gründe dafür herauszufinden, kombinierten die TUM-Wissenschaftler elektrochemische Untersuchungen mit so unterschiedlichen Messmethoden wie Röntgenstreuung, Impedanzmessungen und Prompte Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA).

Mit diesen analysierten sie das Verhalten von Akkus mit Graphit-Anode und Nickel-Mangan-Cobalt-Kathode, sogenannte NMC-Zellen, bei verschiedenen Temperaturen. NMC-Zellen sind beliebt in der Elektromobilität, denn sie besitzen eine hohe Kapazität und halten theoretisch Ladespannungen von bis zu knapp fünf Volt aus. Bei Spannungen über 4,4 Volt nimmt jedoch die Alterung stark zu.

Mit Hilfe der Röntgenstreuung untersuchten die Wissenschaftler den Verlust an aktivem Lithium über mehrere Ladezyklen. Impedanzmessungen der Akkuzellen dienten dazu, den zunehmenden Widerstand zu erfassen. Die Aktivierungsanalyse mit Neutronen schließlich half, die extrem geringen Mengen an abgeschiedenem Übergangsmetall auf den Graphitelektroden sicher zu bestimmen.

Mechanismen für den Kapazitätsverlust

Ursache für den deutlichen Kapazitätsverlust beim Formierungsschritt ist der Aufbau einer Passivierungsschicht an der Anode. Diese verbraucht aktives Lithium, schützt jedoch danach den Elektrolyten vor Zersetzung an der Anode.

Für den Kapazitätsverlust bei laufendem Betrieb fand die Forschergruppe zwei wesentliche Mechanismen: Das aktive Lithium in der Zelle wird durch verschiedene Nebenreaktionen nach und nach verbraucht und steht damit nicht mehr zur Verfügung. Der Prozess ist stark temperaturabhängig: Bei 25ºC ist die Wirkung noch relativ gering und wird bei 60ºC recht hoch.

Beim Laden und Entladen der Zellen bei erhöhter Ladespannung (4,6 V) kommt es hingegen zu einem starken Anwachsen des Zellwiderstandes. Die auf der Anode abgeschiedenen Übergangsmetalle erhöhen die Leitfähigkeit der Passivierungsschicht für Elektronen und führen damit zu verstärkter Zersetzung des Elektrolyten.

Wege zu besseren Lithiumionen-Akkus

Nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum fanden die Batteriehersteller bereits gute Verhältnisse von Elektrodenmaterial und Lithiummenge. „Mit den von uns gewonnenen Erkenntnissen lassen sich nun die Einzelprozesse gezielt weiter verbessern“, sagt Irmgard Buchberger, Doktorandin am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München. „Möglich sind hier beispielsweise Additive, mit denen der Aufbau der Passivierungsschicht verbessert werden kann oder Modifikationen der Kathodenoberfläche.“

Die Arbeiten wurden unterstützt mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts ExZellTUM. Die Prompte Gamma Aktivierungsanalyse wurde in Kooperation mit dem Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) am Instrument PGAA der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der Technischen Universität München durchgeführt.

Publikation:

I. Buchberger, S. Seidlmayer, A. Pokharel, M. Piana, J. Hattendorff, P. Kudejova, R. Gilles, and H. A. Gasteiger; Aging Analysis of Graphite/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Cells Using XRD, PGAA, and AC Impedance; Journal of The Electrochemical Society, 162, A2737 (2015); DOI: 10.1149/2.0721514jes

Kontakt:

Prof. Dr. Hubert Gasteiger
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Elektrochemie
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 13679
E-Mail: hubert.gasteiger@tum.de

Weitere Informationen:

http://www.tec.ch.tum.de/index.php?id=278
http://jes.ecsdl.org/content/162/14/A2737.abstract

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Forscher der TU Dresden entwickeln intelligente Therapie-Geräte für Skoliosebehandlung
14.06.2019 | Technische Universität Dresden

nachricht CO2-neutraler Treibstoff aus Luft und Sonnenlicht
13.06.2019 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Im Focus: Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt

Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine...

Im Focus: Die verborgene Struktur des Periodensystems

Die bekannte Darstellung der chemischen Elemente ist nur ein Beispiel, wie sich Objekte ordnen und klassifizieren lassen.

Das Periodensystem der Elemente, das die meisten Chemiebücher abbilden, ist ein Spezialfall. Denn bei dieser tabellarischen Übersicht der chemischen Elemente,...

Im Focus: The hidden structure of the periodic system

The well-known representation of chemical elements is just one example of how objects can be arranged and classified

The periodic table of elements that most chemistry books depict is only one special case. This tabular overview of the chemical elements, which goes back to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

KI meets Training

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Universität Jena mit innovativer Lasertechnik auf Photonik-Messe in München vertreten

19.06.2019 | Messenachrichten

Meilenstein für starke Zusammenarbeit: Neuer Standort für Rittal und Eplan in Italien

19.06.2019 | Unternehmensmeldung

Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

19.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics