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„Goldlöckchendruck“ optimiert die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien
Die Batterieforschung hat bisher hauptsächlich an der Optimierung der Materialzusammensetzung gearbeitet. Nun wurde entdeckt, dass ein konstanter Druck die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verdoppeln kann. In Zukunft könnte die Technik die Langlebigkeit von Elektroautos stark erhöhen, sie als Gebrauchtwagen attraktiver machen und die Umweltbelastung reduzieren.
Cambridge (England). Die Wissenschaft arbeitet seit Langem daran, die Kapazität und Lebensdauer von Batterien für Elektroautos zu optimieren. Dabei setzt die Batterieforschung bisher vor allem auf Verbesserungen der Chemie und Produktionsverfahren und auf neue Materialien. Veränderungen an der Batteriezusammensetzung führen üblicherweise aber nur zu einer Lebensdauerverbesserung von fünf bis zehn Prozent. Forscher der University of Cambridge haben nun eine Studie publiziert, laut der ein optimal eingestellter konstanter Druck für langlebigere Batterien sorgen kann.
Wie die Wissenschaftler um Michael De Volder erklären, haben sie untersucht, welchen Einfluss mechanischer Druck auf Lithium-Ionen-Batterien hat. Die Experimente zeigen, dass ein optimal eingestellter konstanter Druck die Lebensdauer bei diesem Batterietyp verdoppeln kann, also zu einem Fortschritt führt, der in der Batterieforschung außergewöhnlich ist.
Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. Die Lithium-Ionen wandern bei jedem Lade- und Entladevorgang von der Anode zur Kathode und wieder zurück. Dabei dehnt sich die Batterie physisch aus und zieht sich wieder zusammen, ähnlich wie beim Atmen.
„Goldlöckchendruck“ optimiert die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien
„Batterien mögen diesen Zyklus aus Belastung und Entlastung in der Regel nicht. Ein großer Teil der Arbeit zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien wird von Chemikern und Physikern geleistet, aber als Maschinenbauingenieur wollte ich auch untersuchen, welche Rolle die Mechanik spielt.“ Michael De Volder
Die Forscher um De Volder gingen davon aus, dass die Batterielebensdauer durch einen konstanten Druck optimiert werden kann. Sie haben deshalb ein Gerät entwickelt, das eine handelsübliche Batterie, bei der weder Elektrolyt noch Elektroden verändert wurden, mit kleinen, luftgefüllten Kissen zusammendrückt. Die pneumatischen „Bälge“, die ähnlich wie eine selbstnachstellende Klemme funktionieren, halten die Batteriezelle dauerhaft unter konstantem Druck, während parallel dazu ein Sensor minimale Volumenveränderungen bei den Lade- und Entladevorgängen erfasst.
„Wir haben einfach handelsübliche Batterien gekauft und ihre Lebensdauer unter verschiedenen Druckbedingungen getestet. Wir mussten nichts an ihrem Elektrolyten oder an der Zusammensetzung der Elektroden verändern.“ Michael De Volder
Laut den Experimenten muss der Druck beim untersuchten Batterietyp innerhalb einer „Goldlöckchenzone“ von etwa 12,5 Bar, also einem etwa viermal höheren Druck als üblich, liegen, um die Lebensdauer zu optimieren. Wenn der Druck geringer ist, kann die Kathode Risse bilden, und wenn der Druck höher ist, kann sich auf der Anode metallisches Lithium ablagern.
„Wir haben festgestellt, dass es für die gesamte Lebensdauer der Batterie deutlich besser ist, wenn der Druck, während jedes Lade- und Entladezyklus relativ konstant gehalten wird. Wenn man zu stark drückt, leidet die Anode. Wenn man nicht stark genug drückt, beginnt die Kathode sich abzubauen. Unsere Experimente haben gezeigt, wo der ‚Wohlfühlbereich‘ der Batterie in Bezug auf den Druck liegt.“ Michael De Volder