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.
M. meint
„Werden Batterien unter konstantem Druck gehalten, könnte sich ihre Lebensdauer verdoppeln. Als Schlüssel gilt nicht eine neue Chemie oder ein Spezialmaterial, sondern mechanischer Druck.“
Das ist keine neue Erkenntnis, sondern gelebte Praxis bei Pouch- und primatischen Zellen.
Ohne einen solchen Druck werden vor allem Pouchzellen nicht alt, weil sie sich ziemlich schnell aufblähen, und dann die oben beschriebenen Effekte eintreten.
Neu könnte hier allenfalls die konkrete Druckangabe sein. Die üblicherweise verwendete Vorspannung weiß ich jetzt nicht, die kann aber auch herstellerspezifisch sein.
„Zudem könnte sie negative Auswirkungen auf die Umwelt durch Nickel- oder Kobaltabbau reduzieren.“
Das ist schlicht Unsinn. Der Bedarf an NCM-Materialien ergibt sich aus der gewünschten Gesamtkapazität mit dieser Zellchemie, nicht aus Ersatzbedarf. Diese Materialien lassen sich gut recyclen. Dass „verschiedene Akteure“ darin noch schlecht sind, hat mit dem Stand der Technik nichts zu tun. Manche sind auch gut. Will man den Bedarf daran trotzdem verringern, muss man auf eine andere Zellchemie umstellen, wie das aktuell ja passiert.
Irgendwie kommt mir diese Pressemeldung vor, als stamme sie aus 1990.
Gernot meint
Was ist daran neu? Die Hersteller von prismatischen Batteriezellen geben seit Jahren auf den Datenblättern an, dass die spezifizierte Zyklenzahl nur gilt, wenn die Zellen verspannt werden, d.h. unter Druck gesetzt werden. Das minimale Ausdehnen und Schrumpfen beim Laden und Entladen führt ansonsten auf Dauer zu teilweiser Delaminierung der Schichten im Inneren der Batterie, wodurch der Innenwiderstand steigt, die Kapazität sinkt und letztlich die erreichbare Zyklenzahl drastisch einbricht. Auch BYD schreibt vor, dass seine Blade-Zellen verspannt werden müssen. Diese werden seit Jahren von vielen Autoherstellern verbaut.
Das alles ist nicht nur seit vielen Jahren bekannt, sondern wird seit vielen Jahren standardmäßig angewendet. Eine dynamische Druckänderung ist nicht erforderlich.
Die „Forscher“ wollen hier anscheinend „Wasser ist nass“ als Neuigkeit verkaufen.