06.12.2021 - Argonne National Laboratory

Warum Batterien nicht in Minuten aufgeladen werden können

Forscher finden neues Problem, das Schnellladen erschwert

Forscher finden neues Problem, das die Schnellladung erschwert. Wer rastet, der rostet, so lautet ein Sprichwort. Dank einer neuen Studie, die versucht, die Gründe zu ermitteln, die dazu führen, dass die Leistung von schnell geladenen Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen nachlässt, könnte dieser Spruch besonders auf Batterien zutreffen.

In neuen Forschungsarbeiten des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben Wissenschaftler ein interessantes chemisches Verhalten eines der beiden Batteriepole beim Laden und Entladen der Batterie festgestellt.

Lithium-Ionen-Batterien enthalten sowohl eine positiv geladene Kathode als auch eine negativ geladene Anode, die durch ein als Elektrolyt bezeichnetes Material getrennt sind, das Lithiumionen zwischen ihnen bewegt. Die Anode in diesen Batterien besteht in der Regel aus Graphit - dem gleichen Material, das in vielen Bleistiften zu finden ist. In Lithium-Ionen-Batterien ist der Graphit jedoch aus kleinen Partikeln zusammengesetzt. In diese Partikel können sich die Lithium-Ionen in einem Prozess namens Interkalation einlagern. Wenn die Interkalation richtig abläuft, kann die Batterie erfolgreich geladen und entladen werden.

Wenn eine Batterie jedoch zu schnell geladen wird, wird die Interkalation schwieriger. Anstatt reibungslos in den Graphit einzudringen, neigen die Lithiumionen dazu, sich auf der Oberfläche der Anode anzusammeln, was zu einem "Plating"-Effekt führt, der die Batterie beschädigen kann - kein Wortspiel beabsichtigt.

"Plating ist eine der Hauptursachen für die Beeinträchtigung der Batterieleistung während des Schnellladevorgangs", sagte der Argonne-Batteriewissenschaftler Daniel Abraham, einer der Autoren der Studie. Als wir die Batterie schnell aufluden, stellten wir fest, dass sich zusätzlich zu den Ablagerungen auf der Anodenoberfläche auch Reaktionsprodukte in den Elektrodenporen ansammelten. Infolgedessen dehnt sich die Anode selbst bis zu einem gewissen Grad irreversibel aus, was die Leistung der Batterie beeinträchtigt.

Mithilfe einer Technik namens Rasterelektronen-Nanodiffraktion beobachteten Abraham und seine Kollegen von der University of Illinois Urbana-Champaign eine weitere bemerkenswerte Veränderung an den Graphitpartikeln. Auf atomarer Ebene wird das Gitter der Graphitatome an den Rändern der Partikel durch die wiederholte schnelle Aufladung verzerrt, wodurch der Interkalationsprozess behindert wird. Im Grunde genommen sehen wir, dass das atomare Netzwerk im Graphit verzerrt wird, was verhindert, dass die Lithiumionen ihr 'Zuhause' im Inneren der Partikel finden - stattdessen lagern sie sich an den Partikeln an", sagte er.

"Je schneller wir unsere Batterie aufladen, desto größer wird die atomare Unordnung in der Anode, die letztlich verhindert, dass sich die Lithiumionen hin und her bewegen können", so Abraham. Der Schlüssel liegt darin, Wege zu finden, um entweder diesen Organisationsverlust zu verhindern oder die Graphitpartikel irgendwie zu modifizieren, damit die Lithiumionen effizienter interkalieren können."

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