Druck verbessert Performanz und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Ein bekannter Alterungsmechanismus von Lithium‑Ionen‑Batterien ist die Gasentwicklung, die sowohl während der Formierung aber auch während der Zyklisierung bei harschen Bedingungen – etwa bei erhöhten Temperaturen von 60 Grad Celsius – auftritt. Wenn dieses Gas zwischen den einzelnen Schichten der Elektroden verbleibt, erhöhen sich die Widerstände und ein irreversibler Verlust von Lithium tritt auf. Durch den Einsatz von Druck kann das Gas aus den Elektrodenschichten herausgedrückt werden, sodass die die schädlichen Auswirkungen gemindert werden. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun im Detail untersucht, inwiefern Druck die Performanz und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen kann.

Positiver Effekt von Druck bei Gasentwicklung

Bisherige Studien befassten sich hauptsächlich mit den Auswirkungen von Druck auf die Langzeitalterung von Batteriezellen. Dabei identifizierten die Forschungsteams sowohl positive als auch negative Effekte, abhängig von Druckstärke, Zelltyp und Aktivmaterial. „In unserer Studie haben wir deshalb untersucht, welchen Einfluss Druck haben kann, wenn dieser nur während der Formierung und nicht mehr über die gesamte Zyklisierung eingesetzt wird“, sagt MEET Wissenschaftler Kai Büscher. Die Forschenden haben dafür verschiedene Zellchemien bei 20 Grad Celsius und 60 Grad Celsius unter drei verschiedenen Konditionen zyklisch gealtert: ohne Druck, mit Druck ausschließlich während der Formierung und mit Druck sowohl während der Formierung als auch der zyklischen Alterung.

Einen positiven Effekt des Druckes auf Performanz und Lebensdauer der Batterien stellte das Team immer dann fest, wenn die Zellen während der Formierung und/oder der zyklischen Alterung Gas entwickelt hatten. „Es könnte ausreichen, den Druck nur während des Formierungsprozesses anzuwenden, da bei moderaten Bedingungen – wie etwa einer Temperatur von 20 Grad Celsius – während der Zyklisierung oft keine Gasentwicklung mehr auftritt“, so Büscher. Ohne Gasentwicklung habe der Druck keinen großen Effekt. „Diesen gezielt einzusetzen, ist somit eine einfache Möglichkeit, um die Alterung der Batterien zu verlangsamen und ihre Performanz zu verbessern, ohne neue Aktivmaterialien oder Elektrolyte entwickeln zu müssen“, resümiert der MEET Forscher.

Detaillierte Ergebnisse online verfügbar

Die gesamte Studie die Forschenden Kai Büscher, Dr. Bastian Heidrich und Dr. Philip Niehoff, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Journal of The Electrochemical Society” veröffentlicht.