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Kontrollierte „Unordnung“ könnte E-Auto-Akkus langlebiger machen
Alterung als Chance: Bei einem neuartigen Kathodenmaterial kann ein kontrollierter Sauerstoffverlust die innere Struktur so verändern, dass seine Speicherkapazität über viele Ladezyklen erhalten bleibt und sogar zunimmt. Experimente und Simulationen zeigen, wie Elektrolyt und Ladebedingungen diesen Prozess steuern. Ob sich der Effekt in vollständigen Elektroauto-Akkus nutzen lässt, ist allerdings noch offen.
Pohang (Südkorea). Mit jeder Ladung verändert sich das Innere eines Lithium-Ionen-Akkus ein wenig. Gerade bei besonders energiereichen Kathodenmaterialien können dabei Speicherkapazität und Spannung nachlassen. Doch nicht jede Umordnung der Atome muss zwangsläufig schädlich sein, wie eine neue Untersuchung nahelegt.
Im Mittelpunkt stehen lithium- und manganreiche Schichtoxide, kurz LMRO. Sie versprechen viel Energie bei geringerem Bedarf an teuren Metallen wie Nickel und Kobalt. Ihr Nachteil: Während des Betriebs geht Sauerstoff aus dem Kristallgitter verloren, und die ursprünglich geordnete Atomstruktur verändert sich. Bisher war umstritten, ob dabei vor allem die Oberfläche geschädigt wird oder sich das gesamte Material umwandelt.
Forscher der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) um Prof. Kyu-Young Park haben nun untersucht, warum solche Kathoden scheinbar widersprüchliche Alterungswege durchlaufen. Dazu kombinierten sie elektrochemische Versuche mit hochauflösenden Strukturuntersuchungen und computergestützten Simulationen. Ihr Ergebnis: Nicht allein die Menge des verlorenen Sauerstoffs ist entscheidend, sondern auch, wie schnell und unter welchen Bedingungen er entweicht.
Das Team testete dasselbe Kathodenmaterial in experimentellen Lithium-Halbzellen mit zwei unterschiedlichen Flüssigelektrolyten. Der Elektrolyt bestimmt mit, welche Reaktionen an der Oberfläche der positiven Elektrode ablaufen. Mit einer herkömmlichen Elektrolytmischung verlor die Kathode rasch an Leistung und erreichte nach 200 Ladezyklen nur noch 29,5 Prozent ihrer anfänglichen Entladekapazität.
Ein speziell gewählter Elektrolyt, der eine abrupte Sauerstofffreisetzung begrenzt, führte dagegen zu einem anderen Verlauf. Die Entladekapazität stieg während des Betriebs und erreichte nach 200 Zyklen 106,4 Prozent ihres ursprünglichen Werts. Der Befund bedeutet nicht, dass die gesamte Batterie mehr Energie liefert. Er beschreibt zunächst, wie viel elektrische Ladung die untersuchte Kathode unter diesen Versuchsbedingungen abgeben konnte.
Die Strukturanalysen zeigen auch den Grund für den Unterschied. Beim herkömmlichen Elektrolyten bildete sich früh eine schwer durchlässige Oberflächenschicht mit Steinsalzstruktur. Beim zweiten Elektrolyten sammelten sich Sauerstoff-Leerstellen dagegen allmählich im Material. Dadurch wandelte sich die anfängliche Schichtordnung über eine spinellähnliche Zwischenstufe in eine ungeordnete Struktur um, die weitere elektrochemische Reaktionen ermöglichte.
„Aus industrieller Sicht zeigt unsere Studie, dass sich der Batterieverschleiß verzögern und die Lebensdauer verlängern lässt, indem man einfach Parameter wie die Betriebstemperatur und die Oberflächenumgebung steuert“, erklärt Prof. Jihyun Hong.
Damit wird ein Vorgang nutzbar, den die Batterieforschung bisher häufig nur als Zeichen fortschreitender Schädigung betrachtete. Allerdings funktioniert dies offenbar nur, wenn die Sauerstoffabgabe weder zu schnell noch unter ungünstigen Bedingungen erfolgt.
Eine zentrale Rolle spielt die Tiefe der Ladung. Denn beim Entfernen von Lithium aus dem Kathodenmaterial verändert sich auch, wie leicht Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entweichen können. Berechnungen zeigten für die untersuchte Zusammensetzung eine kritische Grenze bei einem Ladezustand von ungefähr 81 Prozent. Oberhalb davon wurde die Bildung von Sauerstoff-Leerstellen energetisch begünstigt.