Wie physikalischer Druck die Lebensdauer von Batterien beeinflusst
Für ihre Experimente griffen die Forscher auf ein spezielles Gerät zurück, um den Druck auf die Batterie im optimalen Bereich zu halten. Das Team drückte auf diese Weise eine Pouchzelle mithilfe pneumatischer „Bälge“ zusammen, genauer mit kleinen, luftbefüllten Kissen, die wie eine Klemme wirkten. Diese Vorrichtung hielt einen bestimmten Druck konstant aufrecht, während ein Sensor winzige Volumenänderungen während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie überwachte.
Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jüngst unter dem Titel „The Interplay between Stack Pressure, Mechanical Expansion and Degradation Pathways in NMC-Graphite Li-ion Batteries“ in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht. Darin sprechen sie von einer potenziell verdoppelbaren Lebensdauer, wenn der Druck im genau richtigen Bereich gehalten wird.
Zum Hintergrund: Lithium-Ionen-Akkus bestehen bekanntlich aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. Bei jedem Lade- und Entladezyklus wandern Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und wieder zurück. Dadurch dehnt sich der Akku physikalisch aus und zieht sich wieder zusammen – „fast so, als würde er atmen“, so Professor Michael De Volder vom Fachbereich Ingenieurwesen der Universität Cambridge, der die Forschung mitleitete. Aber: „Batterien vertragen diesen Zyklus aus Belastung und Entlastung nicht besonders gut.“
De Volder führt aus, dass ein Großteil der Arbeit zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien von Chemikern und Physikern geleistet werde, aber er als Maschinenbauingenieur auch untersuchen wollte, welche Rolle die Mechanik dabei spielt: „Wir haben einfach handelsübliche Batterien gekauft und ihre Lebensdauer unter verschiedenen Druckbedingungen getestet“, so De Volder. „Wir mussten nichts an ihrer Elektrolyt- oder Elektrodenzusammensetzung ändern.“
Das Projektteam stellte im Detail fest, dass der Druck des Balgs in einem Bereich von etwa 12,5 bar liegen muss, um sich positiv auf die Lebensdauer auszuwirken. Dies entspreche in etwa dem Vierfachen des Standardwerts herkömmlicher Knopfzellenbatterien, so die Foscher. Außerhalb dieses Bereichs versagten die Batterien schneller: „Ist der Druck zu hoch, kann es zur Bildung von Lithiumablagerungen an der Anode kommen, ist er zu gering, kann die Kathode Risse bilden.“
Grundsätzlich stellten die Wissenschaftler fest, dass es für die Gesamtlebensdauer der Batterie viel besser ist, „wenn man den Druck während jedes Lade- und Entladezyklus relativ konstant hält“, äußert De Volder. „Wenn man zu stark drückt, leidet die Anode. Drückt man nicht stark genug, beginnt die Kathode, sich zu zersetzen. Unsere Experimente haben ermittelt, wo der ‚ideale Bereich‘ für Batterien in Bezug auf den Druck liegt.“
Die Ergebnisse befinden sich allerdings noch in einem frühen Stadium. Die Technologie wurde von De Volder und seinem Team bisher explizit nur im Labormaßstab getestet, für kommerzielle Batterieanwendungen müsste sie skaliert werden. Ein Patent hat Cambridge Enterprise, der Innovationszweig der Universität, aber schon einmal angemeldet. Die Forschung wurde teilweise vom Europäischen Forschungsrat, der Faraday Institution und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), einem Teil von UK Research and Innovation (UKRI), unterstützt.
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