Smartphones, Laptops und sogar Elektroautos: Sie alle verwenden Lithium-Ionen-Akkus als Energiespeicher. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität der Akkus nach. Warum eigentlich? Ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam liefert neue Erkenntnisse.
Es ist ein nerviges Übel von Elektrogeräten, das wir alle kennen: Akkus. Genauer gesagt die Akku-Kapazität. Ein neues Smartphone mag anfangs mit voll aufgeladenem Akku tagelang laufen.
Doch irgendwann lässt die Kapazität des Akkus nach und man muss sein Handy plötzlich dauernd aufladen, weil der Akku so schnell leer ist.
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Während wir uns möglicherweise an dieses langsame „Akku-Sterben“ gewöhnt haben, stellt dieses Phänomen Forscher vor Rätsel. Denn bislang war nicht ganz klar, warum Akkus mit der Zeit ihre Kapazität verlieren.
Was ist Kapazität?
Unter der Kapazität von Akkus versteht man die Menge elektrischer Ladung oder Energie, die der Akku abgibt, bevor er wieder geladen werden muss. Sehr vereinfacht könnte man auch sagen, dass damit gemeint ist, wie lange dein Akku hält, bis er leer ist und wieder an die Steckdose muss.
Jetzt hat ein deutsch-amerikanisches Forscherteam untersucht, warum Lithium-Ionen-Akkus ihre Speicherfähigkeit verlieren – und wo diese Fähigkeit überhaupt hin verpufft.
Was passiert eigentlich im Inneren einer Batteriezelle?
Um das herauszufinden ging Anatoliy Senyshyn, Instrumentwissenschaftler am Pulverdiffraktometer SPODI der TU München gemeinsam mit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dem Rätsel auf den Grund.
Es ist tatsächlich gar nicht so leicht herauszufinden, was im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle passiert. Darum wählte das Forschungsteam eine etwas ungewöhnliche Methode: Neutronenstreuung.
Neutronen können nämlich das Lithium im Inneren der Batteriezelle sichtbar machen. Sie sind außerdem „zerstörungsfrei“. Das bedeutet, dass sie Einblicke in die Abläufe im Inneren der Zelle sichtbar machen, ohne diese zu stören.
Dadurch konnten die Forscher herausfinden, warum die Kapazität von Akkus mit der Zeit nachlässt.
Warum lässt die Akku-Kapazität nach?
Der Stromfluss in den Lithium-Ionen-Zellen entsteht dadurch, dass ein Lithiumatom ein Elektron abgibt, das wiederum zum Gerät wandert und dieses mit Strom versorgt. In der Zelle wiederum wandert gleichzeitig ein Lithium-Ion von einer Elektrode zur anderen.
Das bedeutet: Es können immer nur so viele Elektronen fließen wie es Lithium-Ionen gibt.
Die Kapazität lässt den Erkenntnissen der Forscher entsprechend dann nach, wenn die Anzahl der Lithium-Ionen weniger wird. Dann können nämlich immer weniger Elektronen zum Gerät fließen. Entsprechend schneller ist der Akku leer.
Doch wohin verschwinden die Lithium-Ionen?
Die Neutronen-Studie der Wissenschaftler hat gezeigt, dass die Bewegung der Lithium-Ionen in der Zelle einen unerwünschten Nebeneffekt hat. Sie zersetzt Elektrolyte. Elektrolyte sind die flüssigen Stoffe im Akku, die dafür sorgen, dass sich die Ionen bewegen können.
Diese Zersetzungsstoffe wiederum lagern Lithiumatome ein. Diese können sich dann nicht mehr bewegen. Entsprechend geringer wird der Stromfluss und damit lässt dann die Kapazität in den Akkus nach.
Erkenntnisse könnten zu besseren Akkus führen
Die Forscher stellten bei ihrer Untersuchung aber noch etwas anderes fest. Das Lithium in den Batteriezellen ist nicht so gleichmäßig verteilt, wie wir bisher gedacht haben. Mit der Zeit verstärkt sich diese ungleiche Verteilung sogar noch, was ebenfalls die Akku-Kapazität beeinträchtigt.
Die Forscher glauben, dass man mit einer besseren Anordnung von Lithium mehr Kapazität aus den Akkus herausholen kann. Das würde bedeuten: Akkus in Smartphones, Laptops, Elektroautos und Co. könnten in Zukunft effizienter, langlebiger und leistungsstärker gebaut werden.
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