Schnelles Laden schadet

Zu schnelles Laden von Lithium-Ionen-Akkus kann die Akkukapazität dauerhaft herabsetzen. Dabei werden Teile der Struktur des Energiespeichers zerstört und desaktiviert.

Derartige Strukturveränderungen wurden jetzt erstmalig im Deutschen Elektronen Synchrotron DESY, Hamburg, an der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III abgelichtet. Bereits nach wenigen Ladezyklen zeigen sich deutliche Schäden an der inneren Struktur des Akkumaterials, die bei langsamer Ladung nicht auftreten.Ein vielversprechender Kandidat für eine neue Generation dieser Energiespeicher, vor allem wegen ihrer hohen Spannung von 4,7 Volt, sind sogenannte Lithium-Nickel-Manganoxid- oder LNMO-Spinell-Materialien. Die Elektroden bestehen aus Minikristallen, sogenannten Kristalliten, die mit Bindermaterial und leitendem Kohlenstoff zu dünnen Schichten verbunden werden.Untersucht wurden die negativen Elektroden dieser LiNi0.5Mn1.5O4-Verbindung. Mit Hilfe eines neuartigen Röntgen-Fluoreszenzdetektors konnte auf einen halben Mikrometer (millionstel Meter) genau die Verteilung von Nickel und Mangan über große Bereiche auf der Elektrode bestimmt werden. Aus Atomen dieser Übergangsmetalle ist das molekulare Trägergerüst der Akkuelektrode aufgebaut – ein relativ starres Kristallgitter, in das sich die Lithium-Ionen dann als bewegliche Ladungsträger ein- oder ausklinken können.Verschiedene Akkuelektroden wurden jeweils 25 Lade- und Entladezyklen mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten ausgesetzt und es wurde die elementare Verteilung der Bestandteile in den Elektroden bestimmt. Dabei stellten die Forscher fest, dass sich bei schneller Ladung die Mangan- und Nickel-Atome aus der Kristallstruktur lösen können. Sie beobachteten sogar richtige Löcher in der Elektrode mit bis zu 100 Mikrometern (0,1 Millimeter) Durchmesser. Die zerstörten Bereiche stehen dann nicht mehr für die Lithium-Speicherung zur Verfügung. Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass sich herausgelöste Nickel- und Mangan-Atome zumindest teilweise an der Anode ablagern und so die Akkueigenschaften doppelt schädigen.Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Erstellt am 12. Mai 2015
KK

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