Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität, weshalb älteren Handys schneller der Strom ausgeht. Dieses weit verbreitete Phänomen ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Nun hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung eines Ingenieurs der CU Boulder den Mechanismus aufgedeckt, der einer solchen Verschlechterung der Akkus zugrunde liegt. Ihre Entdeckung könnte Wissenschaftlern dabei helfen, bessere Batterien zu entwickeln, die es Elektrofahrzeugen ermöglichen würden, weiter zu fahren und länger zu halten, und gleichzeitig Energiespeichertechnologien voranzubringen, die den Übergang zu sauberer Energie beschleunigen würden.
„Wir tragen dazu bei, Lithium-Ionen-Batterien voranzubringen, indem wir die molekularen Prozesse herausfinden, die an ihrer Zersetzung beteiligt sind“, sagte Michael Toney, Mitautor der Studie und Professor am Fachbereich Chemie- und Bioingenieurwesen. „Eine bessere Batterie ist sehr wichtig für die Umstellung unserer Energieinfrastruktur von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen.
Lithium-Ionen-Batterien ohne Kobalt herstellen
Ingenieure arbeiten seit Jahren an der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien – der gängigsten Art von wiederaufladbaren Batterien – ohne Kobalt. Kobalt ist ein teures, seltenes Mineral, und sein Abbau ist mit schwerwiegenden Umwelt- und Menschenrechtsproblemen verbunden. In der Demokratischen Republik Kongo, die mehr als die Hälfte des weltweiten Kobalts liefert, sind viele Bergleute Kinder.
Bislang haben Wissenschaftler versucht, Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien durch andere Elemente wie Nickel und Magnesium zu ersetzen. Diese Batterien weisen jedoch eine noch höhere Selbstentladung auf, das heißt die internen chemischen Reaktionen der Batterie verringern die gespeicherte Energie und verschlechtern mit der Zeit ihre Kapazität. Aufgrund der Selbstentladung haben die meisten Elektroauto-Batterien eine Lebensdauer von sieben bis zehn Jahren, bevor sie ersetzt werden müssen.
Selbstentladung der Batterien
Toney, der auch Stipendiat des Renewable and Sustainable Energy Institute ist, und sein Team wollten die Ursache für die Selbstentladung erforschen. In einer typischen Lithium-Ionen-Batterie bewegen sich die Lithium-Ionen, die Ladungen tragen, durch ein als Elektrolyt bezeichnetes Medium von einer Seite der Batterie, der Anode, zur anderen Seite, der Kathode. Während dieses Prozesses bildet der Fluss dieser geladenen Ionen einen elektrischen Strom, der elektronische Geräte mit Strom versorgt. Das Aufladen der Batterie kehrt den Fluss der geladenen Ionen um und führt sie zur Anode zurück.
Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass sich Batterien selbst entladen, weil beim Aufladen nicht alle Lithiumionen zur Anode zurückkehren und somit weniger geladene Ionen zur Verfügung stehen, um den Strom zu bilden und Energie zu liefern. Mit Hilfe der Advanced Photon Source, einem leistungsstarken Röntgengerät, am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois entdeckte das Forscherteam, dass Wasserstoffmoleküle aus dem Elektrolyten der Batterie zur Kathode wandern und die Plätze einnehmen, an denen sich normalerweise Lithium-Ionen binden. Dadurch stehen den Lithiumionen weniger Bindungsstellen auf der Kathode zur Verfügung, wodurch der elektrische Strom geschwächt wird und die Kapazität der Batterie sinkt.
„Wir haben entdeckt, dass sich umso mehr Wasserstoffatome auf der Oberfläche ansammeln, je mehr Lithium man während des Ladevorgangs aus der Kathode herauszieht“, sagt Gang Wan, Erstautor der Studie an der Stanford University. „Dieser Prozess führt zu einer Selbstentladung und verursacht mechanische Spannungen, die Risse in der Kathode verursachen und die Degradation beschleunigen können.“
Der Verkehr ist die größte Einzelquelle für Treibhausgase in den USA und wird im Jahr 2021 für 28 Prozent der Emissionen des Landes verantwortlich sein. Um die Emissionen zu reduzieren, haben sich viele Autohersteller verpflichtet, die Entwicklung von Benzinautos aufzugeben und stattdessen mehr Elektroautos zu produzieren. Die Hersteller von Elektroautos sehen sich jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert, darunter eine begrenzte Reichweite, höhere Produktionskosten und eine kürzere Lebensdauer der Batterien als bei herkömmlichen Fahrzeugen. Auf dem US-Markt kann ein typisches reines Elektroauto mit einer einzigen Ladung etwa 250 Meilen weit fahren, was etwa 60 Prozent der Reichweite eines Benzinfahrzeugs entspricht. Die neue Studie hat das Potenzial, all diese Probleme zu lösen, so Toney.
„Alle Verbraucher wünschen sich Autos mit einer großen Reichweite. Einige dieser kobalthaltigen Batterien können eine größere Reichweite bieten, aber wir müssen auch sicherstellen, dass sie nicht in kurzer Zeit auseinanderfallen“, sagte er und merkte an, dass eine Reduzierung des Kobaltgehalts auch die Kosten senken und den Belangen der Menschenrechte und der Energiegerechtigkeit Rechnung tragen kann. Mit einem besseren Verständnis des Selbstentladungsmechanismus können die Ingenieure einige Möglichkeiten zur Verhinderung dieses Prozesses erforschen, zum Beispiel die Beschichtung der Kathode mit einem speziellen Material zur Blockierung von Wasserstoffmolekülen oder die Verwendung eines anderen Elektrolyten. „Jetzt, da wir verstehen, was die Ursache für die Degradierung von Batterien ist, können wir der Batteriechemie mitteilen, was bei der Entwicklung von Batterien verbessert werden muss“, so Toney.
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