Forscher unter Leitung der University of Cambridge haben untersucht, welche Rolle physischer Druck für die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien spielt. Das Ergebnis: Werden Batterien unter konstantem Druck gehalten, könnte sich ihre Lebensdauer verdoppeln. Als Schlüssel gilt nicht eine neue Chemie oder ein Spezialmaterial, sondern mechanischer Druck.
Solche Verbesserungen werden als ungewöhnlich für die Batterieentwicklung beschrieben, weil Änderungen an der Batteriezusammensetzung üblicherweise Zugewinne von fünf bis zehn Prozent bringen. Eine längere Lebensdauer von Batterien für Elektrofahrzeuge würde die Zahl der Batterien verringern, die auf Deponien oder im Recycling landen. Zudem könnte sie negative Auswirkungen auf die Umwelt durch Nickel- oder Kobaltabbau reduzieren.
Entscheidend ist laut den Forschern ein genau passender Druckbereich. Zu viel oder zu wenig Druck lässt Batterien schneller versagen. Die Projektverantwortlichen entwickelten dafür ein eigenes Gerät, das den Druck in einer optimalen Zone halten soll, ohne spezielle Chemie zu benötigen.
Lithium-Ionen-Batterien bestehen grundsätzlich aus Anode, Kathode und Elektrolyt. Beim Laden und Entladen bewegen sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Dabei dehnt sich die Batterie aus und zieht sich wieder zusammen. „Batterien mögen diesen Zyklus aus Belastung und Entlastung eher nicht“, erklärt Professor Michael De Volder vom Department of Engineering in Cambridge. Viel Arbeit zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien werde von Chemikern und Physikern geleistet, als Maschinenbauingenieur habe er auch die Rolle der Mechanik untersuchen wollen.
Laborgerät hält Batteriedruck konstant
Für die Versuche nutzten De Volder und seine Kollegen Batterien mit Pouchzellen und ein Gerät mit pneumatischen „Bellows“ – kleinen luftgefüllten Kissen, die wie eine selbstjustierende Klemme wirken. Die Bellows halten einen kontinuierlichen Druck aufrecht, während ein Sensor kleine Volumenänderungen beim Laden und Entladen erfasst. Getestet wurden kommerzielle Batterien unter verschiedenen Druckbedingungen, ohne Elektrolyt oder Elektroden-Zusammensetzung zu verändern.
Der ideale Druck lag bei etwa 12,5 bar, ungefähr viermal so hoch wie der Standard bei konventionellen Knopfzellen. Außerhalb dieses Bereichs versagten die Batterien schneller. Zu hoher Druck kann Lithium-Plating an der Anode verursachen, zu geringer Druck kann Risse in der Kathode auslösen.
„Wenn man den Druck während jedes Lade- und Entladezyklus relativ konstant hält, ist das viel besser für die gesamte Lebensdauer der Batterie“, so De Volder. Die Ergebnisse werden als frühes Stadium beschrieben, könnten aber für den wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge und besonders für den Gebrauchtmarkt wichtig sein.
Der Forscher verweist zudem darauf, dass weniger häufiges Recycling nötig wäre, wenn Produkte länger hielten. Länger haltbare Batterien könnten außerdem die Menge an Rohstoffen verringern, die für neue Akkus abgebaut werden müssen. „Je länger Ihr Produkt hält, desto seltener müssen Sie die Materialien recyceln“, unterstreicht De Volder. „Und beim Recycling von Batterien sind wir derzeit noch sehr schlecht.“
Die neue Technologie wurde bislang im Labormaßstab getestet und muss für kommerzielle Batterieanwendungen skaliert werden. Cambridge Enterprise, der Innovationsarm der Universität, hat ein Patent angemeldet.
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