Kapazitätsverlust bei Akkus: Rätsel wurde endlich gelöst

Es ist ein weithin bekanntes Phänomen: Akkus werden mit der Zeit immer schwächer und ihre Kapazität immer niedriger. Das führt dazu, dass Smartphones, Laptops und Elektroautos im Laufe ihrer Nutzungsdauer in immer kürzeren Abständen geladen werden müssen. 

Woher dieser Leistungsverlust kommt, war bislang nicht restlos erklärbar. Nun hat ein Forschungsteam an der University of Colorado einen Mechanismus entdeckt, der für das Degradieren von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verantwortlich ist.

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Ursache für Leistungsverlust entdeckt

Beim Auf- und Entladen von Akkus wandern Lithiumionen zwischen den Elektroden hin und her - durch eine Flüssigkeit, die als Elektrolyt bezeichnet wird. Sowohl an der Kathode als auch an der Anode benötigen die Lithiumionen ausreichend Bindeplätze, an denen sie andocken können.

Die Forscher haben Batterien mithilfe von besonders leistungsstarken Röntgenstrahlen durchleuchtet. Dabei haben sie festgestellt, dass diese Bindeplätze im Laufe der Zeit immer mehr blockiert werden. 

Anstelle der Lithiumionen werden Wasserstoffmoleküle an den Elektroden gebunden. Diese Moleküle belegen und blockieren die Plätze, an denen eigentlich die Lithiumionen andocken sollen. Mit zunehmender Nutzungsdauer nehmen die Wasserstoffmoleküle den Lithiumionen immer mehr Bindeplätze weg, was zum Leistungsverlust der Akkus führt.  

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Woher kommen die Wasserstoffmoleküle?

Die Wasserstoffmoleküle stammen aus dem Elektrolyten - also der Flüssigkeit, in der sich die Lithium-Ionen hin und her bewegen. Daher schlägt das Forschungsteam vor, es mit alternativen Elektrolytzusammensetzungen zu versuchen.

Möglicherweise könnte dadurch verhindert werden, dass sich Wasserstoffmoleküle aus der Flüssigkeit herauslösen und die Bindeplätze blockieren. Auch eine zusätzliche Legierung der Elektroden könnte das möglicherweise unterbinden, so das Forschungsteam.

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Die Wissenschaftler sind sich jedenfalls sicher, dass ihre Erkenntnisse dazu führen, Lithium-Ionen-Akkus zu verbessern, sodass die lästigen Leistungsverluste eingedämmt werden können. Dadurch könnten Akkus über Jahre hinweg mehr ihrer ursprünglichen Kapazität behalten.

Die Studie "Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes" ist in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Science" erschienen.