Forscher-Teams wollen Batterie-Lebensdauer mit neuem Ladeprotokoll erhöhen
Aktuell sehen die Protokolle das Laden mit einem konstanten Stromfluss vor. Wie die Untersuchung des Teams unter der Leitung von Philipp Adelhelm (Helmholtz-Zentrum Berlin und Humboldt-Universität) in Zusammenarbeit mit der TU Berlin und der Aalborg University in Dänemark gezeigt hat, ist das aber nicht die beste Methode. Die Studie, die in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht wurde, analysiert den Einfluss des Ladeprotokolls auf die Lebensdauer der Batterie.
Im Rahmen des Projekts haben die Forscher handelsübliche NMC532-Zellen mit Graphit-Anode untersucht – in der Kathode sind neben dem Lithium die Verbindungen aus Nickel, Mangan und Kobalt im Verhältnis 5:3:2 gemischt. Derzeit sind viele E-Autos mit einer solchen Mischung auf der Straße unterwegs, auch wenn bei Neuwagen der Trend inzwischen in Richtung NMC811 geht.
Ein Teil der Batterietests wurde an der Universität Aalborg durchgeführt. Die Batterien wurden entweder konventionell mit Konstantstrom (CC) oder mit einem neuen Ladeprotokoll mit gepulstem Strom (PC) geladen. Anschließend wurden die Zellen in Post-mortem-Analysen zerlegt und unter die Lupe genommen, wobei sich laut den Forschern "deutliche Unterschiede" gezeigt haben. So war an den Proben, die mit konstantem Strom geladen wurde, die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) an der Anode deutlich dicker, was die Kapazität beeinträchtigte. Außerdem fand das Team mehr Risse in der Struktur der NMC532- und Graphit-Elektroden, was ebenfalls zum Kapazitätsverlust beitrug. Im Gegensatz dazu führte die PC-Ladung zu einer dünneren SEI-Grenzfläche und weniger strukturellen Veränderungen in den Elektrodenmaterialien.
Diese ersten Beobachtungen wurden mit weiteren Untersuchungen detaillierter betrachtet. Am "BESSY II", einem 240 Meter langen Ringbeschleuniger für Elektronen am Helmholtz-Zentrum, untersuchte der Forscher Yaolin Xu die Zellen mit Operando-Raman-Spektroskopie und Dilatometrie sowie Röntgenabsorptionsspektroskopie. Dadurch gelang es ihm, zu analysieren, was beim Laden mit unterschiedlichen Protokollen passiert. Ergänzende Experimente wurden am Synchrotron PETRA III durchgeführt. "Das Aufladen mit gepulstem Strom fördert die homogene Verteilung der Lithium-Ionen im Graphit. Dadurch verringert sich die mechanische Belastung und Rissbildung in den Graphitpartikeln, so dass die Graphitanode länger stabil bleibt", schließt er. Die gepulste Ladung unterdrückt auch strukturelle Veränderungen in den NMC532-Kathodenmaterialien.
Sprich: Das Laden mit hochfrequentem gepulstem Strom verringert Alterungseffekte. Allerdings haben die Forscher-Teams auch herausgefunden, dass es auf die Frequenz des gepulsten Stroms ankommt. Ladeprotokolle mit hochfrequent gepulstem Strom verlängern die Lebensdauer kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien am stärksten, bis zur Verdopplung der Zyklenlebensdauer (mit 80 Prozent Kapazitätserhalt). Mitautorin Julia Kowal, Expertin für elektrische Energiespeichertechnik an der TU Berlin, betont: "Das gepulste Laden könnte viele Vorteile in Bezug auf die Stabilität der Elektrodenmaterialien und der Grenzflächen bringen und die Lebensdauer der Batterien deutlich verlängern."