Forscher haben ein bislang unbekanntes Problem bei Lithium-Ionen-Batterien aufgedeckt. Mit einem einfachen Trick gelang es ihnen, die Lebensdauer um das 19-Fache zu erhöhen.
Ein internationales Forscherteam hat ein bisher unbekanntes Problem von kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien aufgedeckt. Ihre Lösung: eine neue Batterietechnik. Durch eine Änderung im sogenannten „Entladefenster“ könnten Akkus künftig bis zu 19-mal länger halten. Grundlage ist eine Studie zu den Mikroprozessen an der Kathodenoberfläche – dort, wo die entscheidenden chemischen Reaktionen stattfinden.
Konkret geht es um einen versteckten Mechanismus, der bei zu tiefem Entladen zu einem Verlust von Sauerstoff an der Oberfläche führt. Die Folge: Die Struktur der Kathode verändert sich von einer stabilen Schicht zu einer schlechter leitenden „Rocksalt-Phase“.
Das behindert den Lithium-Ionen-Fluss und beschleunigt die Alterung der Batterie. Besonders betroffen sind nickelreiche Kathodenmaterialien, wie sie in modernen Hochleistungsakkus zum Einsatz kommen. Die Forscher konnten aufzeigen, wie sich dieses Problem vermeiden lässt.
Lithium-Ionen-Batterien: Zu tiefes Entladen verringert Lebensdauer
Bisher nahm an an, dass solche Schäden nur bei sehr hohen Ladespannungen entstehen. Doch die Forscher konnten nun nachweisen, dass bereits beim Entladen unter 3,0 Volt ein schleichender Umbauprozess einsetzt. Diesen löst eine sogenannte quasi-Konversionsreaktion aus. Dabei wird Sauerstoff entzogen, es bilden sich Nebenprodukte und eine isolierende Schicht, die den Stromfluss stört. Zusätzlich entstehen Gase und feste Rückstände, die das Innenleben der Zelle beeinträchtigen.
Die Analyse verschiedener Entladespannungen offenbarte einen klaren Zusammenhang: Je tiefer die Entladung (etwa bis 2,0 Volt), desto schneller brach die Kapazität ein. Bei einem Entladeschluss oberhalb von 3,25 Volt hingegen blieb die Kathodenstruktur weitgehend intakt. Die Zellen hielten dadurch deutlich mehr Ladezyklen stand und hatten lediglich einen kaum spürbaren Leistungsverlust.
Ein kleiner Trick mit großer Wirkung
Diese Verbesserung lassen sich denn Forschern zufolge ohne neue Materialien oder teure Zusatzstoffe umsetzen. Es genüge, die Software von Batterien oder Geräten so zu programmieren, dass sie nicht unnötig tief entladen. Für E-Autos, Smartphones oder stationäre Speicherlösungen stellt das eine einfach Möglichkeit dar, die Lebensdauer deutlich zu erhöhen.
Die Studie zeigt: Viele heutige Akkus altern schlicht durch ungünstige Entladestrategien schneller als nötig. Mit dem neuen Verständnis der Reaktionen an der Oberfläche könnten künftige Batterien robuster, effizienter und langlebiger – und zwar ohne zusätzliche Kosten .
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