Die unterschätzte Rolle der Entladung beim Batterieverschleiß 🔋

Lithium-Ionen-Batterien könnten eine längere Lebensdauer erhalten dank einer bahnbrechenden Entdeckung. Ein Forscherteam hat einen bisher unbekannten Degradationsmechanismus identifiziert, der mit der Tiefentladung zusammenhängt.


Wissenschaftler der POSTECH-Universität und der Sungkyunkwan-Universität haben ein Phänomen namens "Quasi-Konversionsreaktion" aufgedeckt. Dieser Prozess, der während der Entladung auftritt, führt zur Bildung von Lithiumoxid und beschleunigt den Verschleiß der Batterien, insbesondere bei solchen mit nickelreichen Kathoden.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden häufig Nickel-Mangan-Kobalt-Kathoden (NMC). Die Industrie hat den Nickelanteil erhöht, um die Kosten zu senken, was jedoch auch die Lebensdauer der Batterien verringert. Die neue Studie zeigt, dass Tiefentladung ein Schlüsselfaktor für diesen Verschleiß ist.

Entgegen der landläufigen Meinung ist es nicht die Überladung, sondern die Entladung, die einen Sauerstoffverlust an der Kathodenoberfläche verursacht. Dieser Verlust reagiert mit Lithium zu Lithiumoxid, was Gase erzeugt und die Batterie schädigt. Tests zeigten, dass nickelreiche Batterien anfälliger für dieses Phänomen sind.

Die vorgeschlagene Lösung ist einfach: Vollständige Entladungen vermeiden. Batterien, die nach dieser Methode getestet wurden, behielten nach 300 Zyklen 73,4% ihrer Kapazität, während es bei tiefentladenen Batterien nur 3,8% waren.

Diese Entdeckung ebnet den Weg für langlebigere Batterien. Die Forscher betonen die Bedeutung der Berücksichtigung der Entladung bei der Entwicklung zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien.

Warum sind nickelreiche Kathoden anfälliger für Degradation?

Nickelreiche Kathoden werden wegen ihrer hohen Energiekapazität und geringeren Kosten im Vergleich zu kobalthaltigen Kathoden bevorzugt. Allerdings macht ihre Struktur sie anfälliger für Verschleiß bei der Entladung.

Der hohe Nickelanteil begünstigt den Sauerstoffverlust an der Kathodenoberfläche, ein Phänomen, das sich bei Tiefentladung verstärkt. Dieser Sauerstoffverlust führt zur Bildung von Lithiumoxid und zu Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten.

Diese Reaktionen verursachen nicht nur eine verringerte Batteriekapazität, sondern auch Schwellungen und beschleunigten Verschleiß. Die Forscher stellten fest, dass diese Effekte deutlich weniger ausgeprägt sind, wenn die Batterie nicht vollständig entladen wird.

Diese erhöhte Empfindlichkeit nickelreicher Kathoden gegenüber Tiefentladung unterstreicht die Bedeutung optimierter Nutzungsstrategien zur Maximierung ihrer Lebensdauer.