Akkus, deren Katho­de aus einer Mischung aus Nickel, Man­gan, Kobalt und Lithi­um besteht, gel­ten der­zeit als die leis­tungs­fä­higs­ten. Doch auch sie haben eine begrenz­te Lebens­dau­er. Schon beim ers­ten Zyklus ver­lie­ren sie bis zu zehn Pro­zent ihrer Kapa­zi­tät. Wor­an das liegt und was gegen den dar­auf­fol­gen­den schlei­chen­den Kapa­zi­täts­ver­lust unter­nom­men wer­den kann, hat ein inter­dis­zi­pli­nä­res Wis­sen­schaft­ler­team der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM) mit Hil­fe von Posi­tro­nen nun genau­er erforscht.

Ras­ter­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­me des unter­such­ten Elek­tro­den­ma­te­ri­als.

So genann­te NMC-Akkus, deren Katho­den aus einer Mischung aus Nickel, Man­gan, Kobalt und Lithi­um bestehen, haben die her­kömm­li­chen Lithi­um-Kobaltoxid-Akkus weit­ge­hend vom Markt ver­drängt. Sie sind bil­li­ger und siche­rer und wer­den des­halb unter ande­rem für Elek­tro- und Hybrid­au­tos ein­ge­setzt.

Doch auch bei ihnen tra­gen nur wenig mehr als 50 Pro­zent der Lithi­um-Ato­me zur tat­säch­li­chen Kapa­zi­tät bei. Lie­ßen sich bei der ers­ten Ent­la­dung der an der TU Mün­chen unter­such­ten Elek­tro­den noch 62 Pro­zent der Lithi­um-Ato­me aus dem Kris­tall­git­ter her­aus­lö­sen, so keh­ren beim Wie­der­auf­la­den nur noch 54 Pro­zent zurück.

Bei den dar­auf­fol­gen­den Zyklen ist der Ver­lust zwar wesent­lich gerin­ger, jedoch sinkt die Kapa­zi­tät schlei­chend immer wei­ter ab. Nach eini­gen Tau­send Zyklen ist die Rest­ka­pa­zi­tät dann so gering, dass der Akku unbrauch­bar wird.

Eingefangene Positronen zeigen Löcher im Gitter

Unter­su­chun­gen ande­rer Grup­pen zeig­ten, dass beim Laden offen­bar nicht alle Lithi­um-Ato­me wie­der in die pas­sen­den Lücken im Kris­tall­git­ter zurück­fin­den. Bis­he­ri­ge Metho­den konn­ten aller­dings nicht die dafür ver­ant­wort­li­chen ato­ma­ren Pro­zes­se zei­gen.

Die Lösung brach­te, wie so oft, die inter­dis­zi­pli­nä­re Zusam­men­ar­beit: Irm­gard Buch­ber­ger, Mit­ar­bei­te­rin am Lehr­stuhl für Tech­ni­sche Elek­tro­che­mie der TU Mün­chen wand­te sich an Ste­fan Seidl­may­er, der am Heinz Mai­er-Leib­nitz Zen­trum (MLZ) an der For­schungs-Neu­tro­nen­quel­le FRM II eben­falls Akku­tech­no­lo­gi­en erforscht.

Er ver­mit­tel­te den Kon­takt zu Chris­toph Hugen­schmidt, der am MLZ das Instru­ment NEPOMUC betreut. Es erzeugt Posi­tro­nen, die Anti­teil­chen der Elek­tro­nen, mit denen sich gezielt nach Löchern in Kris­tall­git­tern fahn­den lässt.

Als extrem klei­ne und hoch beweg­li­che Teil­chen kön­nen Posi­tro­nen durch Mate­ria­li­en hin­durch flie­gen. Tref­fen sie auf ein Elek­tron, so enden sie auf der Stel­le in einem Ener­gieblitz, fin­den sie eine lee­re Stel­le im Kris­tall­git­ter, über­le­ben sie deut­lich län­ger“, erläu­tert Mar­kus Rei­ner, der die Ver­su­che am Instru­ment NEPOMUC durch­führ­te.

Da die Posi­tro­nen für kur­ze Zeit in den lee­ren Git­ter­plät­zen gefan­gen sind bevor sie schließ­lich doch zer­strah­len, las­sen sich mit der Posi­tro­nen-Anni­hi­la­ti­ons­spek­tro­sko­pie genann­ten Metho­de genaue Rück­schlüs­se auf die loka­le Umge­bung zie­hen – und dies mit einer sehr hohen Emp­find­lich­keit, denn es las­sen sich Fehl­stel­len­kon­zen­tra­tio­nen von bis zu 1:10 Mil­lio­nen detek­tie­ren.

Gezielte Materialentwicklung

Die Stu­die zeigt ein­deu­tig, dass beim Wie­der­auf­la­den ver­blei­ben­de „Löcher“ im Git­ter des Katho­den­ma­te­ri­als mit dem irrever­si­blen Kapa­zi­täts­ver­lust ein­her­ge­hen und die­se Blo­cka­de auf die man­gel­haf­te Befül­lung der Löcher im Katho­den­ma­te­ri­al zurück­zu­füh­ren ist.

Nun sind wir als Che­mi­ker wie­der an der Rei­he. Mit geziel­ter Modi­fi­ka­ti­on des Katho­den­ma­te­ri­als kön­nen wir nun nach Mög­lich­kei­ten suchen, die­se Bar­rie­re zu umge­hen.“

Prof. Hubert Gas­tei­ger, Inha­ber des Lehr­stuhls für Tech­ni­sche Elek­tro­che­mie

Für die Bat­te­rie­for­schung ist die Gar­chin­ger For­schungs-Neu­tro­nen­quel­le ein extrem hilf­rei­ches Instru­ment“, sagt Ralph Gil­les, der am FRM II die Mes­sun­gen für das Bat­te­rie­for­schungs­pro­jekt ExZell­T­UM koor­di­niert. „Mit Neu­tro­nen kön­nen wir ins­be­son­de­re klei­ne Ato­me wie das Lithi­um gut sehen, sogar durch die Metall­hül­le hin­durch, bei lau­fen­dem Betrieb. Mit den Posi­tro­nen haben wir nun eine wei­te­re Mög­lich­keit erschlos­sen, die Pro­zes­se bes­ser zu ver­ste­hen und damit wei­ter ver­bes­sern zu kön­nen.“

Die For­schungs­ar­bei­ten wur­den unter­stützt aus Mit­teln des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Bil­dung und For­schung (BMBF) im Rah­men des Pro­jekts ExZell­T­UM. Auch der Betrieb des für die Stu­die genutz­ten Coin­ci­dent Dopp­ler-Broa­de­ning Spec­tro­me­ters wird aus Mit­teln des BMBF unter­stützt.