Wissenschaftliche Beobachtungen belegen laut der Ruhr-Universität Bochum die Vermutung, dass in Lithium-Batterien an den Kupferstromkollektor Lithium-Ionen verloren gehen. Das könnte ihre Leistung und Lebensdauer begrenzen.
Jeder Lithium-Verlust führt zu einem Kapazitätsverlust von Lithium-Batterien und verkürzt ihre Lebensdauer. Nachdem jüngste Forschungsarbeiten zu der Vermutung geführt haben, dass während des Ladevorgangs Lithium an den Stromkollektor verloren geht, haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum um Tong Li und des Helmholtz Instituts Ulm sowie des Karlsruhe Instituts für Technologie um Dominic Bresser diese Hypothese genau geprüft.
Mittels Atomsondentomografie konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass Lithium-Ionen tatsächlich in den Kupferstromkollektor eingebunden werden. Dieser Verlust nimmt mit der Anzahl an Ladezyklen zu, auch bei hochmodernen Batterietypen. „Diese Vorgänge zu verstehen, ist von großer Bedeutung für anodenfreie Batterien der Zukunft“, sagt Tong Li.
Der Kupferstromkollektor ist eine dünne Kupferfolie, die als Trägerschicht für die Anode der Batterie dient und Elektronen sammelt, um sie zum Minuspol zu leiten. Bei Lithium-Metall-Batterien kann Lithium während des Lade- und Entladezyklus in den Kupferstromkollektor diffundieren. „Wo genau sich die Lithium-Ionen einlagern, war bislang aber unklar“, erklärt Li. „Lithium in Kupfer ist schwer nachzuweisen, da es an analytischen Möglichkeiten mangelt, hochaktives und leichtes Lithium nachzuverfolgen.“
Das Forschungsteam setzte die Atomsondentomografie ein, die es erlaubt, präzise dreidimensionale Karten beliebiger Elemente mit einer Auflösung im Subnanometerbereich zu erstellen. Es zeigte sich, dass Lithium bereits nach einem einzigen Lade-/Entladungszyklus zunächst an Korngrenzen und Grenzflächen der Kupferfolie eingebunden wird. Nach drei Zyklen wird die Oberfläche der Kupferfolie nanokristallin und oxidiert. Die dadurch entstehenden Defekte binden Lithium und Sauerstoff unterhalb der Oberfläche weiter ein, was zu einer Zersetzung des Kupferstromkollektors führt.
„All diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie der Stromkollektor die Leistung von Lithium-Batterien der Zukunft beeinflusst“, so Li. Denn Lithium-Metall-Batterien (LMBs) und seit Kurzem auch „Zero-Excess“- oder „anodenfreie“ LMBs gelten als die nächsten bedeutenden Schritte auf dem Weg zu noch höheren Energiedichten. Sie sollen die derzeit vorherrschende Lithium-Ionen-Technologie bei Weitem übertreffen. „Bei Zero-Excess-LMBs geht man im Allgemeinen davon aus, dass Lithium nicht in den Kupferstromkollektor diffundiert oder mit ihm wechselwirkt“, erläutert Li. „In Diskussionen über den Leistungsabfall von LMBs wurde der Lithium-Verlust an den Kupferkollektor bislang weitgehend übersehen.“
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