BAM identifiziert Lithium-Isotopen als Diagnosewerkzeug für Batterie-Alterung

Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung haben herausgefunden, dass die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in den Zellen wie ein Fingerabdruck direkt mit den Degradationsprozessen zusammenhängt. Diese Erkenntnis soll helfen, die Alterungsmechanismen von Batterien besser zu verstehen.

Symbolbild: Eine typische Hochvolt-Batterie für E-Autos.

Bild: Stellantis

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch komplexe Alterungsprozesse begrenzt, deren Ursachen oft schwer voneinander zu unterscheiden sind. Forschende der BAM konnten zeigen, dass sich ein genauerer Blick auf die Lithium-Isotopen in den Zellen lohnt, wie sie in einem Artikel in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters ausführen.

Konkret nutzte das Team um Carlos Abad und Beatrice Battistella die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in einer Zelle als Diagnosewerkzeug für Alterungsprozesse. Die Haupterkenntnis: „Ihre charakteristischen Spuren und Muster liefern einen Fingerabdruck der zugrunde liegenden Degradationsmechanismen“, heißt es in einer BAM-Mitteilung.

Hintergrund ist, dass im Inneren der Batterie mehrere komplexe Prozesse für die Degradation verantwortlich sind. „Bislang ist die Herausforderung ungelöst, diese Alterungsmechanismen eindeutig zu identifizieren und sie voneinander zu unterscheiden. Herkömmliche Diagnoseverfahren zeigen zwar, dass eine Batterie altert, liefern jedoch häufig nur begrenzte Informationen darüber, wann, wo und durch welchen Mechanismus die Degradation ausgelöst wird“, skizziert die Bundesanstalt die aktuelle Lage.

Die neu entwickelte Methode macht sich zunutze, dass natürliches Lithium aus den beiden Isotopen Lithium-6 und dem geringfügig schwereren Lithium-7 besteht. Dabei handele es sich um Varianten desselben chemischen Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen, so das Forscherteam. In neuen Batterien seien beide Lithium-Isotope so verteilt wie in allen natürlichen Vorkommen des Alkalimetalls auch, d.h. in einem Verhältnis von 2,4 zu 97,6 Prozent.

Konkret untersucht haben die Forschenden eine Lithium-Batterie mit einer Kathode aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und einer Graphitanode. Schon nach den ersten Ladezyklen sammelte sich laut den Wissenschaftlern Lithium-6 bevorzugt an der Anode. Nach weiteren 280 Zyklen verstärkte sich dieser Effekt, während die Kathode deutlich erhöhte Lithium-7-Gehalte aufwies. Gleichzeitig sank die Kapazität der Zellen.

Möglich wurde der Nachweis laut der BAM durch eine hochauflösende Form der Massenspektrometrie, mit der sich die Verteilung der Lithiumisotope schichtweise über die gesamte Tiefe der Elektroden hinweg bestimmen ließ. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit Nu Instruments Ltd. in Großbritannien sowie mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden).

„Die Verteilung der Lithium-Isotope liefert damit direkte Informationen über Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Batterien. Die Isotope wirken wie natürliche Marker. Ihre Verteilung zeigt uns, wie sich Lithium während des Batteriebetriebs bewegt und an welchen Stellen Veränderungen auftreten“, fasst Beatrice Battistella zusammen. Die Forschenden konnten zudem belegen, dass diese Spuren eng mit dem Kapazitätsverlust der Batterien zusammenhängen.

Für die BAM liegt die Bedeutung der Ergebnisse vor allem in ihren Anwendungsmöglichkeiten für präzise Messungen: Anstatt Alterung lediglich am Kapazitätsverlust zu erkennen, könnte sie künftig deutlich früher anhand der Spuren, die Lithium-Isotope in der Batteriezelle hinterlassen, verfolgt werden. „Das ermöglicht ein präziseres Verständnis der Alterungsmechanismen und ist letztlich entscheidend, um Batterien gezielter zu verbessern und ihre Lebensdauer genauer vorherzusagen“, so das Fazit.