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Speichertechnologie Wie Forscher mehr aus Lithium-Ionen-Batterien heraus holen wollen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die Batterietechnologie ist ein wichtiger Baustein für die Zukunft, nicht nur für die Automobilindustrie. Wir stellen zwei aktuelle Projekte vor, die die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien steigern sollen.

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Die Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien sind hoch: möglichst klein bei hoher Energiedichte und dazu u.a. noch schnelladefähig und sicher müssen sie sein.
Die Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien sind hoch: möglichst klein bei hoher Energiedichte und dazu u.a. noch schnelladefähig und sicher müssen sie sein.
(Bild: TU Ilmenau/iStockphoto-Who_I_am)

Ohne Lithium-Ionen-Batterien, die zu den Metall-Ionen-Batterien zählen, wäre ein Erfolg der Elektromobilität und portabler elektrischer Geräte nicht denkbar. Kein Batterietyp ist so vielfältig wie Lithium-Ionen-Batterien: Es gibt dutzende Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Je nachdem welche man als Anode und Kathode kombiniert, ergeben sich Batterien, die für unterschiedliche Anwendungen besser oder schlechter geeignet sind, die sich schneller oder weniger schnell laden lassen. Die deutsche Forschung widmet sich den verschiedensten Themen – wir zeigen hier zwei aktuelle Projekte.

1. TU Ilmenau: Die Materialien im Betrieb vor Zersetzung schützen

Lithium-Ionen-Batterien sind so erfolgreich, weil sie große Mengen an Energie bei hohen Spannungen speichern können – bei derart hohen Spannungen, dass diese Batterien eigentlich gar nicht stabil sein dürften, sagen Experten der TU Ilmenau. Warum Lithium-Ionen-Batterien dennoch funktionieren und wie dieses Wissen Batterien verbessern kann, damit beschäftigt sich das neue Forschungsprojekt „Untersuchung der Transporteigenschaften sowie der Bildungs- und Wachstumsmechanismen der Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf Kohlenstoff-Modellelektroden“ der TU Ilmenau.

Ziel ist es, Lithium-Ionen-Batterien schneller und effizienter zu laden und für eine längere Lebensdauer und eine kostengünstigere Herstellung der Batterien zu sorgen. Das Forscherteam der TU Ilmenau um Prof. Andreas Bund wird zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Marburg erforschen, wie eine Schicht aus Zersetzungsprodukten, die sich während des Batteriebetriebs bildet, in kleinstem Maßstab so positiv beeinflusst werden kann, dass sie Ionen leiten kann und die Materialien sich auch bei hohen Spannungen nicht zersetzen.

Was das Problem bei Lithium-Ionen-Batterien ist

  • Während andere Batterien üblicherweise Spannungen von ein bis zwei Volt aufweisen, liegt die Spannung von Lithium-Ionen-Batterien bei vier Volt – was besonders in den Anfangszeiten der Lithium-Ionen-Batterien zu Problemen geführt hat: Viele Materialien, insbesondere die seinerzeit zur Verfügung stehenden Batterieelektrolyten, die in Batterien benötigt werden, um Ionen zu transportieren, zersetzen sich bei solch hohen Zellspannungen.
  • Mit einer speziellen Mischung aus verschiedenen Carbonaten gelang es Wissenschaftlern in den Folgejahren, Elektrolyte herzustellen, die länger stabil blieben. So wies zum Beispiel eine Mischung aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat sehr positive Eigenschaften auf. Ersetzte man jedoch das Ethylencarbonat mit dem chemisch sehr ähnlichen Propylencarbonat, erhielt man sehr schlechte Batterien, die schon nach wenigen Lade- und Entladevorgängen versagten. Damals war völlig unklar, weshalb eine solch kleine Änderung einen so großen Einfluss auf die Batterie hatte.
  • Erst Jahre später fanden Forscher die Antwort: Verwendet man die „falschen“ Carbonate, sind diese bei hohen Zellspannungen nicht stabil, sondern zersetzen sich kontinuierlich weiter, bis die Batterie versagt. Bei der richtigen Wahl an Carbonaten hingegen bilden die Zersetzungsprodukte eine stabile, nur wenige Nanometer dünne Schicht, die den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt.

Die Grenzschicht erforschen und optimieren

Doch die Schicht muss auch in der Lage sein, Lithium-Ionen zu transportieren, andernfalls würde der Ladungsträgertransport in der Zelle zusammenbrechen und die Batterie keine Energie mehr liefern. Wie diese sogenannte Passivierungsschicht beschaffen sein muss, damit sie sowohl zuverlässig passiviert, also den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt, als auch gleichzeitig Ionen leiten kann, das erforschen die TU Ilmenau und die Universität Marburg drei Jahre lang in dem neuen Forschungsprojekt.

Dazu beobachten die Forscher mit verschiedenen In-situ-Methoden, teilweise im Nanometerbereich, also in kleinstem Maßstab, wie sich die Schicht bildet, wie Pfade für die Ionenleitung entstehen und wie die Schichtbildung verbessert werden kann.

Eine Optimierung der Ionenleitfähigkeit, der Bildungsgeschwindigkeit und des Passivierungsverhalten würde dazu führen, dass künftige Lithium-Ionen-Batterien nicht nur schneller und effizienter geladen werden können, sondern auch länger halten und kostengünstiger sind.

Prof. Andreas Bund, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Galvanotechnik, TU Ilmenau

2. Hochschule Aalen: Die Ladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien per Laser verbessern

Halbzeit beim Forschungsvorhaben „Structur.e“ an der Hochschule Aalen nach knapp zwei Jahren Projektdauer: Die beiden Forscher-Teams vom Laser-Applikations-Zentrum (LAZ) und dem Institut für Materialforschung (IMFAA) Aalen beschäftigen sich in diesem vom Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) mit rund einer Million geförderten Projekt mit der Frage, wie sie die Schnellladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien verbessern können – etwa um lästige Wartezeiten an den Ladesäulen für Elektroautos zu verkürzen. Sie setzen dabei unter anderem auf ein laserbasiertes Verfahren, das bereits zum Patent angemeldet wurde.

Eine Batterie sollte möglichst klein sein und dennoch möglichst viel Energie speichern können, erklären Max-Jonathan Kleefoot und Jens Sandherr. Die beiden Doktoranden am LAZ und IMFAA der Hochschule Aalen forschen gemeinsam zu diesem Thema seit 2019. Presse man die Elektroden im Innern einer Batterie zusammen und verdichte diese, passe – vereinfacht gesagt – mehr elektrische Energie hinein. Dann aber stehe man vor der nächsten Herausforderung: Die Batterie enthält nun zwar mehr Energie auf einem kleineren Volumen, lässt sich aber dafür schlechter wieder aufladen.

Mehr Energie in kürzerer Zeit

Vor allem die Autoindustrie brauche für den wachsenden Markt der Elektromobilität Traktionsbatterien, die möglichst viel Energie in möglichst kurzer Zeit aufnehmen könnten. Wie schafft man es also, mehr Energie in noch kürzerer Zeit in eine solche Batterie zu bekommen? So lautet übersetzt die Fragestellung, an der die Hochschule Aalen im Rahmen des Forschungsvorhabens „Structur.e“ mit neun weiteren Kooperationspartnern – etwa dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung (ZSW) oder der TRUMPF Laser GmbH – arbeitet. Projektkoordinator des vom Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) geförderten Projekts ist die VW AG.

Laserbearbeitung der Elektroden steigert Schnellladefähigkeit

Kleefoot und Sandherr haben auf der Suche nach der Antwort eine ganze Reihe von Versuchen durchgeführt: „Wir haben mit dem Laser die Oberflächen der Elektroden im Innern der Batterien aufgeraut und perforiert, um den Austausch der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden beim Be- und Entladen zu verbessern“, erklärt Kleefoot. Untersuchungen zur Schnellladefähigkeit deuten darauf hin, dass die so bearbeiteten Batterien spürbar schneller geladen werden können.

„Die Ergebnisse sind äußerst vielversprechend“, zieht auch Prof. Dr. Volker Knoblauch eine positive Zwischenbilanz. Er ist Projektleiter des Vorhabens und Mitglied der Institutsleitung des IMFAA der Hochschule Aalen. Ein weiterer positiver Nebeneffekt, der sich durch die Laserbearbeitung der Batterieelektroden abzeichne, sei die Zeitersparnis bei nachfolgenden Prozessschritten der Zellherstellung, so Knoblauch. Im weiteren Projektverlauf sollen die bislang überwiegend an Laborzellen erarbeiten Ergebnisse nun auf größere Zellen übertragen und so die nächsten Schritte zu einer möglichen Industrialisierung des Verfahrens gegangen werden. Das laserbasierte Verfahren wurde bereits zum Patent angemeldet.

Weiterführende Informationen:

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