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Bessere Stromspeicher : Feintuning für den optimalen Lithium-Ionen-Akku

Diese Lithium-Ionen-Zellen im Kleinformat nutzen die Forscher um Clare Gray für ihre Untersuchungen. Bild: University of Oxford

Klassische Lithium-Ionen-Akkus sind noch längst nicht ausgereizt. Mit besseren und günstigeren Materialien lassen sich viele Eigenschaften verbessern. Doch vor allem muss man in das Innere der Energiespeicher blicken.

          3 Min.

          Dass der Verbrennungsmotor vom Elek­troantrieb über kurz oder lang abgelöst wird, ist beschlossene Sache. Doch ob sich der Elektromotor tatsächlich so schnell durchsetzt, wie es sich Politiker und Energieexperten derzeit wünschen, ist fraglich. Mehrere Umstände dürften viele Autofahrer noch vom Umstieg abhalten. Da wären die im Vergleich zu einem Verbrenner geringeren Reichweiten, Sicherheitsbedenken, vor allem aber die lange Zeit, die an der Ladesäule vergeht, bis ein leerer Akku wieder vollständig geladen ist. „Die Autofahrer verlangen möglichst kurze Ladezeiten, vor allem wenn sie weite Strecken zurücklegen müssen, für die eine Batterieladung nicht reicht“, sagt die britische Batterieforscherin Clare Grey von der University of Oxford in Berlin.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Werden die Akkus zu schnell geladen, kommt es zum Stau der Lithium-Ionen an der Graphit-Anode. Lithium kann nicht schnell genug in die Zwischenräume der Graphitschichten eingelagert werden. Das Alkalimetall lagert sich stattdessen an der Anodenoberfläche an und beginnt unkontrolliert zu wachsen. Beim wiederholten Ladevorgang kommt es zur Bildung von Dendriten. Diese tannenbaumähnlichen Lithiumkristalle sind wie bei vielen Batterieforschern auch Greys größte Sorgenkinder. Durchstoßen die Dendriten den Separator, der die Anode von der Kathode trennt, kommen sie in Kontakt mit der negativen Elektrode. Es kommt zum Kurzschluss. Der flüssige Elektrolyt kann sich dadurch entzünden, was nicht selten zur Explosion des Akkus führt. Ein brennender Akku lässt sich nicht so einfach löschen. Ein weiterer Nachteil: Brechen die Dendriten von der Graphit-Anode ab, schwimmen sie als totes Lithium im Elektrolyten. Das führt zu einem Verlust an aktivem Lithium, was die Speicherkapazität des Akkus verringert. Der Stromspeicher altert schneller und wird schnell unbrauchbar.

          Batterieforscherin und Körberpreisträgerin 2021 Clare Grey
          Batterieforscherin und Körberpreisträgerin 2021 Clare Grey : Bild: dpa

          Die britische Batterieforscherin hat sich mit ihren Kollegen die Vorgänge bei der Dendritenbildung genauer angeschaut. Dazu musste sie ein geeignetes Verfahren entwickeln, mit dem sich die Lithium-Ionen beobachten lassen, in vivo gewissermaßen, wenn die Teilchen beim Laden und Entladen zwischen den Elek­troden hin und her wandern. Anregung holte sie sich aus der Medizin. Dort nutzt man die Magnetresonanztomographie (MRT), um Gewebe abzubilden. Das Verfahren funktioniert nur bei Atomkernen, die ein magnetisches Moment aufweisen.

          Dazu zählen die Wasserstoffkerne, die Protonen, aber auch die Atomkerne des Lithiums. Allerdings musste Grey eine besondere Hochfrequenzspule entwickeln, in die eine Batterie eingespannt werden kann. Zudem musste die Frequenz des eingestrahlten Signals auf die in einem Magnetfeld rotierenden Lithiumkerne abgestimmt werden.

          Das vertrackte Innenleben eines Akkus

          Was für Lithium funktionierte, erwies sich für Sauerstoff und Kohlenstoff, zwei Elemente, die in großen Mengen im Elektrolyten und anderen Bestandteilen der Batterie vorkommen, schwieriger. Hier mussten die Forscher um Grey auf Isotope dieser Elemente zurückgreifen, die sie in Batteriezellen verschiedener Größe einbauten.

          Die NMR-Apparatur im Labor von Clare Grey, Körberpreisträgerin 2021
          Die NMR-Apparatur im Labor von Clare Grey, Körberpreisträgerin 2021 : Bild: Alice Whitby

          Auf diese Weise konnten sie das Innenleben von Testbatterien beim laufenden Betrieb erforschen und kurzlebige Verbindungen aufspüren, die beim Laden und Entladen entstehen und bei Alterungsprozessen der Batterie eine Rolle spielen. Viele Stoffe haben sich längst aufgelöst, wenn die Batterie zerlegt wird.

          Anhand ihrer Beobachtungen können die Forscher entsprechende Maßnahmen treffen, etwa um den Elektrolyten zu optimieren und somit unerwünschte Reaktionen zu verhindern. Auch die unkontrollierte Dendritenbildung ließ sich unterbinden, indem man die Graphitelektrode mit einer speziellen Beschichtung passivierte.

          Batterien für stationäre Anwendungen

          Neben der Sicherheit und der Lebensdauer ist Grey daran interessiert, die Energiedichte der Akkus zu erhöhen, die Ladezeiten zu verkürzen und die Herstellungskosten einer Batterie zu reduzieren. Auch die Vermeidung von giftigen und teuren Ausgangsmaterialien steht wie bei vielen Batterieforschern auch auf ihrer Agenda. Hier kommen Batterien der nächsten Generation zum Zug, die statt Lithium Natrium oder Magnesium als aktives Material verwenden. Doch sind diese Akkus für mobile Anwendungen zu schwer, sodass sie für die stationäre Energiespeicherung infrage kommen.

          Vielversprechend sind auch völlig neue Akkuvarianten. So hat Clare Grey einen sogenannten Lithium-Luft-Akku entwickelt, der mit einer bis zu zehnfach höheren Energiedichte aufwarten kann wie Lithium-Ionen-Akkus. Er wäre damit besonders für Elektroautos ein idealer Stromlieferant. Ein Lithium-Luft-Akku besteht aus einer Anode aus metallischem Lithium und einer Kathode aus porösem Kohlenstoff. Luftsauerstoff dient als Reaktant an der Kathode. Entnimmt man der Batterie Strom, setzt die Metallelektrode Lithium-Ionen frei, die durch den Elektrolyten zur Kathode wandern. Dort wird Sauerstoff reduziert, der sich mit den Lithium-Ionen zu Lithiumperoxid verbindet.

          Für stationäre Anwendungen ist die Redox-Fluss-Batterie. Die eigentlichen Energiespeicher sind hier zwei flüssige Elektrolyten, die durch eine zweigeteilte elektrochemische Zelle gepumpt werden. Weil die Elektrolyten in externen Tanks lagern, können Flussbatterien enorme Strommengen speichern. Bislang sind viele neue Batterietypen in Pilotprojekten in Erprobung. Trotz der vielen Fortschritte, die an vielen Forschungsstandorten gemacht worden sind, ist Grey zurückhaltend, was die praktische Anwendung angeht. Schließlich hat der klassische Lithium-Ionen-Akku auch noch einige Makel, die es auszuräumen gilt.

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