Neue Technologie erhöht Akku-Lebensdauer massiv

Das erste Aufladen einer Batterie hat einen entscheidenden Einfluss auf ihre Lebensdauer. Amerikanische Forscher haben nun herausgefunden, dass sich die Lebensdauer einer Batterie erheblich verlängern lässt, wenn man sie bereits in der Fabrik mit einer deutlich höheren Stromstärke auflädt als bisher üblich. Laut dem Forscherteam könnte dies den Lebenszyklus der Batterie um 50 Prozent verlängern. Zudem soll es die Ladezeit einer neuen Batterie von 10 Stunden auf nur 20 Minuten verkürzen, wie aus einem Blog-Beitrag des Forschungsinstituts Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) hervorgeht.

Lithium-Fluss und Schwammschicht

Für ihren Versuch bauten die Forscher sogenannte Pouch-Zellen, in denen positive und negative Elektroden von einer Elektrolytlösung umgeben sind, in der sich Lithiumionen frei bewegen können. Wird eine Batterie aufgeladen, fließen Lithiumionen von der positiven zur negativen Elektrode. Beim Entladen wandern sie wieder zurück zur positiven Elektrode. So entsteht der sogenannte Elektronenfluss, der verschiedenste Geräte wie Handys oder Elektroautos mit Strom versorgt.

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Bei einer neuen Batterie ist die positive Elektrode noch zu 100 Prozent mit Lithium gefüllt. Bei jedem Lade- und Entladevorgang geht jedoch ein Teil des Lithiums verloren. Diesen Verlust kann man vermeiden, indem man beim ersten Laden absichtlich einen größeren Lithiumverlust provoziert, wie der Forschungsleiter Xiao Cui erklärt. Das Lithium bildet dabei eine Art Schutzschicht auf der negativen Elektrode, die als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet wird. Diese Schicht verhindert spätere Nebenreaktionen, die zu einem schnelleren Verschleiß führen.

Stärkerer Strom macht Batterien robuster

Bisher wurden Batterien in Fabriken mit niedriger Stromstärke aufgeladen, da man annahm, dass so die robusteste SEI-Schicht entsteht. Dieser Ladeprozess ist jedoch teuer und zeitaufwendig. Wie die Forscher herausfanden, beeinflusst das Laden mit höherem Strom die Batterieleistung nicht negativ, sondern wirkt sich sogar positiv aus. Dank dieser Erkenntnisse können die Batteriehersteller nun ihre Produktionsprozesse optimieren und bessere Batterien kostengünstiger herstellen.

Bei ihrer Forschung setzten die US-Forscher auch maschinelles Lernen ein, um die entscheidenden Veränderungen in den Elektroden zu identifizieren, die deren Lebensdauer verlängern: Das Laden mit höherem Strom erhöhte den Anteil des im Vorfeld deaktivierten Lithiums – auf 30 Prozent, während es bei niedrigerem Strom nur 9 Prozent waren. Diese Deaktivierung wirkte sich jedoch positiv aus und konnte die Lebensdauer einer Testbatterie um 50 Prozent verlängern.

Wie Abschöpfen von Wasser

Das Entfernen der Lithiumionen im Vorfeld ist vergleichbar mit dem Abschöpfen von Wasser aus einem vollen Eimer, erklärte Cui. Dadurch spritzt weniger heraus, wenn man ihn trägt. Ähnlich bewirkt das Deaktivieren von mehr Lithiumionen ganz am Anfang, dass in der positiven Elektrode mehr Platz entsteht und ihre Leistung langfristig verbessert wird.

Die kürzlich im Fachmagazin Joule veröffentlichte Studie ist das Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit: Dahinter stehen die Bemühungen eines Teams des Stanford Battery Center, des Toyota Research Institute, des Massachusetts Institute of Technology und der University of Washington. Die Forschung war Teil eines Projekts, das Lösungen für mehr Nachhaltigkeit und die Energiewende sucht.

Die Ergebnisse könnten einerseits die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge beeinflussen. Andererseits liefern sie auch Erkenntnisse, die das Stromnetz unterstützen und weitere Technologien verbessern könnten. Möglicherweise sind die Forschungsergebnisse auch für andere Batterietypen als Lithium-Ionen-Batterien nützlich.