BAM identifiziert Lithiumisotope als Diagnosewerkzeug für das Altern von Batterien
Forscher am Bundesinstitut für Materialforschung und -prüfung haben entdeckt, dass die Verteilung von zwei Lithiumisotopen in den Zellen direkt mit Alterungsprozessen verbunden ist – wie ein Fingerabdruck. Diese Erkenntnis soll dabei helfen, die Alterungsmechanismen von Batterien besser zu verstehen.
Symbolisches Bild: Eine typische Hochvoltbatterie für Elektroautos.
Bild: Stellantis
Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch komplexe Alterungsprozesse begrenzt, deren Ursachen oft schwer zu unterscheiden sind. Forscher am BAM haben nachgewiesen, dass die Untersuchung der Lithiumisotope in den Zellen wertvolle Erkenntnisse liefern kann, wie sie in einem in der Zeitschrift _ACS Energy Letters_ veröffentlichten Artikel erklären.
Genauer gesagt nutzte das von Carlos Abad und Beatrice Battistella geleitete Team die Verteilung zweier Lithiumisotope in einer Zelle als Diagnosewerkzeug für Alterungsprozesse. Die zentrale Erkenntnis: „Ihre charakteristischen Spuren und Muster liefern einen Fingerabdruck der zugrunde liegenden Degradationsmechanismen“, heißt es in einer Pressemitteilung des BAM.
Hintergrund ist, dass mehrere komplexe Prozesse innerhalb der Batterie zur Alterung beitragen. „Bis heute bleibt die Herausforderung, diese Alterungsmechanismen eindeutig zu identifizieren und voneinander zu unterscheiden, ungelöst. Obwohl herkömmliche Diagnosemethoden zeigen, dass eine Batterie altert, liefern sie oft nur begrenzte Informationen darüber, wann, wo und durch welchen Mechanismus die Alterung ausgelöst wird“, erklärte das Bundesinstitut für Materialforschung und -prüfung (BAM).
Die neu entwickelte Methode nutzt die Tatsache, dass natürliches Lithium aus zwei Isotopen besteht: Lithium-6 und dem etwas schwereren Lithium-7. Laut der Forschungsmannschaft handelt es sich dabei um Varianten desselben chemischen Elements mit unterschiedlicher Anzahl an Neutronen. In neuen Batterien sind beide Lithiumisotope im gleichen Verhältnis verteilt wie in allen natürlichen Vorkommen des Alkalimetalls, nämlich 2,4 Prozent zu 97,6 Prozent.
Die Forscher untersuchten insbesondere eine Lithiumbatterie mit einer Kathode aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und einer Graphitanode. Laut den Wissenschaftlern begann Lithium-6 bereits nach nur wenigen Ladezyklen bevorzugt an der Anode anzusammeln. Nach weiteren 280 Zyklen verstärkte sich dieses Phänomen, während die Kathode einen deutlich erhöhten Lithium-7-Gehalt aufwies. Gleichzeitig nahm die Kapazität der Zellen ab.
Laut BAM wurde die Erkennung durch eine hochauflösende Form der Massenspektrometrie ermöglicht, die es erlaubte, die Verteilung der Lithiumisotope Schicht für Schicht über die gesamte Tiefe der Elektroden zu bestimmen. Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Nu Instruments Ltd. im Vereinigten Königreich sowie dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Materialforschung Dresden (IFW Dresden) durchgeführt.
„Die Verteilung der Lithiumisotope liefert somit direkte Informationen über Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Batterien. Die Isotope fungieren als natürliche Marker. Ihre Verteilung gibt Aufschluss über die Mechanismen, die den Lithiumtransport während des Betriebs der Batterie steuern, sowie darüber, wo Veränderungen auftreten“, sagte Beatrice Battistella. Die Forscher konnten zudem nachweisen, dass diese Spuren eng mit dem Kapazitätsverlust der Batterien verbunden sind.
Für BAM liegt die Bedeutung der Ergebnisse vor allem in ihren potenziellen Anwendungen für präzise Messungen: Anstelle der alleinigen Erkennung des Alterns durch Kapazitätsverlust könnte es künftig viel früher anhand der von Lithiumisotopen in der Batteriezelle hinterlassenen Spuren erfasst werden. „Dies ermöglicht ein präziseres Verständnis der Alterungsmechanismen und ist letztendlich entscheidend, um Batterien gezielter zu verbessern und ihre Lebensdauer genauer vorherzusagen“, schließt das Institut.