Die allererste Ladung einer Lithium-Ionen-Batterie bestimmt, wie gut und wie lange die Batterie von da an funktionieren wird - insbesondere, wie viele Lade- und Entladezyklen sie verkraften kann, bevor sie Schaden nimmt, so berichten Forscher des SLAC-Stanford Battery Center. Im Speziellen: Eine Erstladung mit ungewöhnlich hohen Strömen erhöhte die durchschnittliche Lebensdauer der Batterien um 50 Prozent und verkürzte gleichzeitig die anfängliche Ladezeit von 10 h auf nur 20 min.
Ebenso wichtig ist, dass die Forscher mithilfe von wissenschaftlichem maschinellem Lernen die spezifischen Veränderungen an den Batterieelektroden ermitteln konnten, die für diese erhöhte Lebensdauer und Leistung verantwortlich sind – unschätzbare Erkenntnisse für Batteriehersteller, die ihre Prozesse rationalisieren und ihre Produkte verbessern wollen.
Die Studie wurde von einem SLAC/Stanford-Team unter der Leitung von Professor Will Chueh in Zusammenarbeit mit Forschern des Toyota Research Institute (TRI), des Massachusetts Institute of Technology und der University of Washington durchgeführt. Das Projekt ist Teil der SLAC-Nachhaltigkeitsforschung und eines umfassenderen Projekts zur Neugestaltung unserer Energiezukunft, bei dem die einzigartigen Instrumente und Fachkenntnisse des Labors sowie Partnerschaften mit der Industrie genutzt werden.
„Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie das SLAC mit Hilfe der Produktionswissenschaft entscheidende Technologien für die Energiewende erschwinglicher macht“, sagte Chueh. „Wir lösen eine echte Herausforderung, der sich die Industrie gegenübersieht; entscheidend ist, dass wir von Anfang an mit der Industrie zusammenarbeiten.“
Verallgemeinerbarer Ansatz
Dies war die jüngste in einer Reihe von Studien, die von TRI im Rahmen eines kooperativen Forschungsabkommens mit dem SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums finanziert wurden. Die Ergebnisse haben praktische Auswirkungen nicht nur auf die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und das Stromnetz, sondern auch auf andere Technologien, sagte Steven Torrisi, ein leitender Wissenschaftler am TRI, der an der Studie mitarbeitete.
„Diese Studie ist für uns sehr aufregend“, sagte er. „Die Herstellung von Batterien ist extrem kapital-, energie- und zeitintensiv. Es dauert lange, bis die Herstellung einer neuen Batterie in Gang kommt, und es ist wirklich schwierig, den Herstellungsprozess zu optimieren, weil so viele Faktoren eine Rolle spielen.“
Torrisi sagte, dass die Ergebnisse dieser Forschung „einen verallgemeinerbaren Ansatz für das Verständnis und die Optimierung dieses entscheidenden Schritts in der Batterieherstellung zeigen. Darüber hinaus können wir das, was wir gelernt haben, in Zukunft auf neue Prozesse, Anlagen, Ausrüstungen und Batteriechemien übertragen“.
Was ist für die Batterieleistung entscheidend?
Um zu verstehen, was während der ersten Zyklen einer Batterie passiert, baut Chuehs Team Pouch-Zellen, bei denen die positiven und negativen Elektroden von einer Elektrolytlösung umgeben sind, in der sich Lithiumionen frei bewegen.
Wenn eine Batterie aufgeladen wird, fließen die Lithium-Ionen in die negative Elektrode und werden dort gespeichert. Wenn sich eine Batterie entlädt, fließen sie wieder heraus und wandern zur positiven Elektrode; dadurch wird ein Elektronenfluss ausgelöst, der Geräte – vom Elektroauto bis zum Stromnetz – mit Energie versorgt.
Die positive Elektrode einer neuen Batterie ist zu 100 Prozent mit Lithium gefüllt, erklärt Xiao Cui, der leitende Forscher des Batterieinformatik-Teams in Chuehs Labor. Jedes Mal, wenn die Batterie einen Lade-/Entladezyklus durchläuft, wird ein Teil des Lithiums deaktiviert. Die Minimierung dieser Verluste verlängert die Lebensdauer der Batterie.
Eine Möglichkeit, den Gesamtverlust an Lithium zu minimieren, besteht laut Cui darin, bei der ersten Ladung der Batterie absichtlich einen großen Prozentsatz der ursprünglichen Lithiummenge zu verlieren. Das ist so, als würde man eine kleine Investition tätigen, die sich später auszahlt.
Dieser Lithiumverlust im ersten Zyklus ist nicht umsonst. Das verlorene Lithium wird Teil einer matschigen Schicht, der so genannten Festelektrolyt-Interphase (SEI), die sich während der ersten Ladung auf der Oberfläche der negativen Elektrode bildet. Im Gegenzug schützt die SEI die negative Elektrode vor Nebenreaktionen, die den Lithiumverlust beschleunigen und die Batterie mit der Zeit schneller abbauen würden. Die richtige Einstellung der SEI ist so wichtig, dass die erste Ladung auch als Formationsladung bezeichnet wird.
„Die Formation ist der letzte Schritt im Herstellungsprozess“, so Cui, „wenn sie nicht gelingt, sind der gesamte Wert und die Mühe, die bis zu diesem Zeitpunkt in die Batterie investiert wurden, umsonst.“
Niedrige vs. hohe Ströme
Die Hersteller laden neue Batterien in der Regel zum ersten Mal mit niedrigen Strömen auf, weil sie davon ausgehen, dass dadurch eine möglichst robuste SEI-Schicht entsteht. Aber es gibt einen Nachteil: Das Laden mit niedrigen Strömen ist zeitaufwändig und kostspielig und führt nicht unbedingt zu den gewünschten Ergebnissen. Als kürzlich durchgeführte Studien darauf hindeuteten, dass ein schnelleres Aufladen mit höheren Strömen die Batterieleistung nicht beeinträchtigt, war dies eine aufregende Nachricht.
Aber die Forscher wollten noch mehr herausfinden. Der Ladestrom ist nur einer von Dutzenden von Faktoren, die bei der Bildung von SEI während der ersten Ladung eine Rolle spielen. Alle möglichen Kombinationen davon im Labor zu testen, um zu sehen, welche am besten funktioniert, ist eine überwältigende Aufgabe.
Um das Problem auf eine überschaubare Größe zu reduzieren, setzte das Forschungsteam wissenschaftliches maschinelles Lernen ein, um herauszufinden, welche Faktoren am wichtigsten sind, um gute Ergebnisse zu erzielen. Zu ihrer Überraschung stachen nur zwei davon – die Temperatur und der Strom, mit dem die Batterie geladen wird – aus allen anderen heraus.
Die Experimente bestätigten, dass das Laden mit hohen Strömen einen großen Einfluss hat und die Lebensdauer der durchschnittlichen Testbatterie um 50 Prozent erhöht. Dabei wurde auch ein viel höherer Prozentsatz des Lithiums im Voraus deaktiviert - etwa 30 Prozent gegenüber 9 Prozent bei früheren Methoden - was sich jedoch als positiv erwies.
Das Entfernen von mehr Lithium-Ionen im Vorfeld ist ein bisschen so, als würde man Wasser aus einem vollen Eimer schöpfen, bevor man ihn trägt, so Cui. Der zusätzliche Freiraum im Eimer verringert die Menge des Wassers, die auf dem Weg herausspritzt. In ähnlicher Weise wird durch die Deaktivierung von mehr Lithiumionen während der SEI-Bildung Platz in der positiven Elektrode frei, so dass die Elektrode effizienter zirkulieren kann, was die spätere Leistung verbessert.
„Brute-Force-Optimierung durch Versuch und Irrtum ist bei der Herstellung Routine - wie sollten wir die erste Ladung durchführen, und was ist die beste Kombination von Faktoren?“ sagte Chueh. „Hier wollten wir nicht nur das beste Rezept für die Herstellung einer guten Batterie finden, sondern auch verstehen, wie und warum sie funktioniert. Dieses Verständnis ist entscheidend, um das beste Gleichgewicht zwischen Batterieleistung und Fertigungseffizienz zu finden.“
