Anwendungen und Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus
Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks: Sie alle werden mithilfe von Lithium-Ionen-Akkus betrieben. Auch als Stromspeicher in PV-Anlagen werden Lithium-Ionen-Akkus immer häufiger eingesetzt. Aus gutem Grund, denn ein Lithium-Ionen-Akku kann das Drei- bis Vierfache an Energie speichern im Vergleich zu einem gleich großen Nickel-Cadmium-Akku. Auch Temperaturschwankungen und längere Lagerung stellen für die Lithium-Ionen-Batterien kein Problem dar. Aufgrund dieser Vorteile gelten Lithium-Akkus auch als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität. Eine systemimmante Schachstelle steht dem Siegeszug der Lithium-Ionen-Akkus jedoch entgegen: Das Lithium-Plating.
Kurzschluss- und Brandgefahr durch Lithium-Plating
Das sogenannte "Lithium-Plating" basiert darauf, dass sowohl der Pluspol (Kathode) als auch der Minuspol (Anode) die physikalische Fähigkeit besitzen, Lithium-Ionen zu binden. Während des Ladens des Stromspeichers zwingt das elektrische Feld die Ionen, von der Kathode zur Anode zu wandern. Beim Entladen dagegen strömen die Lithium-Ionen wieder zurück zur Kathode, wobei Strom frei wird. Die Kathode in den Lithium-Ionen-Akkus besteht aus einem Lithium-Metall-Oxid, das Standardmaterial für den Minuspol der Batterie ist Graphit (Kohlenstoff), das eine Schichtstruktur aufweist. In diese Schichten lagern sich die Lithium-Ionen während des Ladens ein.
Nun kann es vorkommen, dass die Lithium-Ionen – statt sich wie erwünscht in die Anode einzulagern – metallisches Lithium bilden. Dieses Lithium lagert sich an die Anode an und steht damit zum Teil nicht mehr für den zuvor beschriebenen Ladeprozess zur Verfügung und mindert damit die Leistungsfähigkeit der Lithium-Batterie. In extremen Fällen kann das Lithium-Plating sogar zu einem Kurzschluss oder, da metallisches Lithium schnell entflammbar ist, auch zu einem Brand führen.
Neutronen ermitteln Bildung metallischen Lithiums
Bisher war es nicht möglich, den Mechanismus des Lithium-Plating genau zu beobachten. Wird die Batterie geöffnet, kann immer nur eine Momentaufnahme des Zustands beobachtet werden, erklärt Dr. Ralph Gilles, Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM. Allerdings ändert sich die Menge des metallischen Lithiums laufend. Mithilfe von Neutronenstrahlen konnten die Wissenschaftler Dr. Veronika Zinth von der Forschungs-Neutronenquelle FRM II und Christian von Lüders vom Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik die Prozesse in der Batterie live beobachten, ohne diese aufzuschneiden. Dazu bestrahlten die Forscher die Batterie während des Ladens und Entladens mit Neutronenstrahlen. Der einfallende Neutronenstrahl wird an der Lithium-Batterie nach dem Gesetz der Braggschen Gleichung gebeugt und schließlich in einem Detektor aufgenommen. Anhand dieser Signale ermitteln die Wissenschaftler indirekt, wie viel metallisches Lithium sich gebildet hat.
Ladegeschwindigkeit entlarvt Umfang des Platings
Die erste Ergebnisse der Lithium-Plating-Messung zeigen, dass je schneller der Ladevorgang stattfindet, desto mehr metallisches Lithium wird gebildet. Bis zu 19 Prozent der normalerweise am Lade- und Entladeprozess beteiligten Lithium-Ionen liegen dabei als metallisches Lithium vor. Die Messung wurde bei -20 Grad Celsius im Spannungsdiffraktometer STRESS SPEC durchgeführt (siehe Foto). Zudem wurde festgestellt, dass in einer Pause von 20 Stunden nach einem schnellen Ladevorgang ein Teil des metallischen Lithiums wieder mit dem Graphit reagiert und sich Lithium-Ionen in die Graphit-Schicht einlagern. Es handelt sich sozusagen um einen nachträglichen, langsamen Ladeprozess. Allerdings ist nur ein Teil des Lithium-Platings reversibel. Zudem begünstigen tiefe Temperaturen die Bildung von metallischem Lithium.
Die Wissenschaftler planen weitere Experimente, die den Mechanismus des Lithium-Platings noch detaillierter aufklären sollen. Diese Ergebnisse könnten dabei helfen, herauszufinden, wie sich das Phänomen des Lithium-Platings vermeiden bzw. abschwächen lässt. Hierzu gehört auch die Beantwortung der Frage, wie schnell geladen werden kann, bevor Lithium-Plating einsetzt.
