Lithium-Ionen-Akku: Was genau passiert beim Aufladen?

Cambridge (Großbritannien) - Lithium-Ionen-Akkus bieten höchste Energiedichten und schnelle Ladezeiten. Doch über die Details der Ionen-Wanderung durch den Akku wissen Batterieforscher noch wenig. Ein besonders detaillierter Blick auf die Ladevorgänge gelang nun britischen und amerikanischen Wissenschaftler. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, beobachteten sie mithilfe gebeugter Röntgenstrahlung das Verhalten von Nanopartikeln aus Lithiumeisenphosphat während zahlreicher Ladezyklen. Ihre Ergebnisse stehen im Widerspruch zu bisher verfügbaren Theorien und könnten zu einer weiteren Leistungssteigerung der vielseitigen Stromspeicher führen.

Erst seit wenigen Jahren werden Kristalle aus Lithiumeisenphosphat als Elektrodenmaterial für Akkus genutzt. Sie überzeugen mit Stabilität, guter Zyklenfestigkeit und schnellen Ladezeiten. Doch diese Vorteile lassen sich mit den bisher verfügbaren Theorien über den Ladeprozess nicht vollständig erklären. Die Modelle gehen davon aus, dass während des Aufladens das Elektrodenmaterial zwischen zwei verschiedenen Phasen – eine aus Eisenphosphat und eine aus Lithiumeisenphosphat – wechselt. Aber Transformationen dieser Art sind nicht mit schnellen Ladezeiten vereinbar.

„Eine direkte Analyse des dynamischen Ladeprozess war daher nötig“, erläutern Clare P. Grey von der University of Cambridge und ihre Kollegen. So fertigten sie für ihre Experimente einen speziellen Akku, der während der Ladezyklen mit Röntgenlicht - erzeugt an der amerikanischen Synchrotronanlage des Argonne National Laboratory – bestrahlt werden konnte. Diese Röntgenstrahlung traf auf winzige Nanopartikel aus Lithiumeisenphosphat. Abhängig von der Menge des gespeicherten Stroms veränderten sich Aufbau und Zusammensetzung dieser Nanopartikel. Genau diese Veränderungen ließen sich über die Beugung der Röntgenstrahlung beobachten.

Das Ergebnis, zusätzlich gestützt mit einem neuen theoretischen Modell, war eindeutig. Die bisherige Annahme, dass Lithiumeisenphosphat beim Auf- und Entladen zwischen zwei verschiedenen Phasen wechselt, erwies sich als falsch. Grey und Kollegen fanden in ihren Messdaten nur Hinweise auf eine einzige, sogenannte metastabile Phase, in der abhängig vom Ladestand mal mehr, mal weniger Lithium-Ionen eingebettet waren.

So zeigt diese Studie, dass es für eine Analyse der Ladeprozesse nicht ausreicht, die Struktur der Elektrodenmaterialien bei leeren und vollen Akkus miteinander zu vergleichen. Weitere „in situ“-Experimente während der Ladezyklen könnten nun folgen. Es ist durchaus wahrscheinlich, dass auf diese Weise auch andere nanostrukturierte Elektrodenmaterialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Akkus weiter optimiert werden könnten.