Das KIT hat herausgefunden, warum Batterien altern. Das könnte ein Ansatzpunkt sein, Hochenergie-Akkus zu entwickeln.

Der Hochenergie-Akku für E-Autos rückt näher. Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, den chemischen Alterungsprozess zu identifizieren, der bislang die Lebensdauer derartiger Batterien beeinträchtigt. Könnte dieser ausgeschaltet oder eingeschränkt werden, wären neuartige Lithium-Ionen-Akkus mit deutlich höheren Kapazitäten als heute möglich. Die Wissenschaftler rechnen mit einer Steigerung von rund 30 Prozent. Die Reichweite eines E-Autos würde bei gleichbleibender Batteriegröße somit um rund ein Drittel zulegen.

Ursächlich für den schnellen Verschleiß, die sogenannte Degradation, ist den Forschern zufolge eine bislang wenig beachtete Struktur innerhalb der Batterie. Die Entdeckung des Wirkmechanismus mache es möglich, nun neue Ansätze zur Minimierung der Degradation zu testen und in die eigentliche Entwicklungsarbeit zu Hochenergie-Akkus einzusteigen, heißt es in einer Mitteilung des Instituts.

Spezifisches Kathodenmaterial

„Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, sagt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS). „Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektrochemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu 30 Prozent erhöhen.“ Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), der größten deutschen Forschungsplattform für elektrochemische Speicher, deren stellvertretender Sprecher Ehrenberg ist.

Die Hochenergievariante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ein spezifisches Kathodenmaterial: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, kommen nun manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss zum Einsatz, was die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial deutlich erhöht.

Noch nicht vollständig verstanden

Wie genau dieser Degradationsprozess abläuft, war noch nicht vollständig verstanden. Ein Forscherteam aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT und kooperierender Einrichtungen hat den grundlegenden Mechanismus beim Altern nun in der Zeitschrift Nature Communications beschrieben: „Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft“, sagt Weibo Hua (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der Studie. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“

Neben diesen Ergebnissen zeigt die Studie außerdem, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess stammen müssen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nämlich anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden. SP-X/Foto: VW