Energiespeicher: TUM-Forscher erhält Evonik Forschungspreis für Lithium-Ionen-Akku-Testzelle

Um diese zu verbessern, hat Michael Metzger vom Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der Technischen Universität München (TUM) eine innovative Batterie-Testzelle entwickelt. Für seine Arbeiten wurde er nun mit dem Evonik Forschungspreis ausgezeichnet.
Die gängigen Akkus seien für hohe Leistungen nur bedingt geeignet, erklärt Metzger: „Um die Energiedichte zu erhöhen, muss man die Spannung beziehungsweise die Kapazität vergrößern, und da stoßen die traditionellen Elektroden-Materialien und Elektrolyt-Flüssigkeiten an ihre Grenzen“, so der Physiker.

Weltweit läuft daher die Forschung auf Hochtouren. Ingenieure experimentieren beispielsweise mit speziellen Elektrodenmaterialien, die statt der bisher maximalen 4,2 bis 4,3 Volt eine Spannung von fast 5 Volt liefern können.

Wissenschaftler untersuchen chemische Prozesse beim Laden und Entladen
Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Elektroden bzw. Elektrolyte können jedoch dazu führen, dass die Leistung der Akkus schon nach wenigen Ladezyklen abnimmt oder dass sich an den Elektroden Gase bilden, welche die Batteriezellen aufblähen.

„Die Zukunft der Lithium-Ionen-Akkus hängt davon ab, ob man diese unerwünschten Reaktionen in den Griff bekommt“, so Metzger. Eine Voraussetzung dafür hat er jetzt geschaffen: Mit der neuen Batterie-Testzelle, die er zusammen mit seinem Team entwickelt hat, lassen sich die chemischen Prozesse, die beim Laden und Entladen ablaufen, detailliert untersuchen.

Testzelle ist nicht vollständig abgeschlossen

Drei Jahre haben die Forscher an der Apparatur getüftelt. „Normalerweise sind Elektrolytflüssigkeit sowie Elektroden – die positive Kathode und die negative Anode – elektrochemisch in einem ständigen Austausch“, erklärt Metzger. „Es war daher bislang nicht möglich, die Reaktionen an Anode und Kathode getrennt voneinander zu untersuchen. Wir sind die ersten, denen das gelungen ist.“

Der Trick: Die Batterie-Testzelle ist nicht vollständig abgeschlossen, sondern mit einer dünnen Kapillare versehen. Durch diese können Gase, die beim Laden und Entladen frei werden, abgeleitet und in einem Massenspektrometer untersucht werden.

Um die Vorgänge an Anode und Kathode getrennt studieren zu können, haben die Ingenieure außerdem eine Membran so modifiziert, dass sie nur für Lithium-Ionen, nicht aber für die anderen Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit durchlässig ist.

Interessante Methode für Anwender aus der Industrie
Mit ihrer Testzelle konnten die Forscher erstmals exakt nachvollziehen, was im Inneren eines Hochvolt-Akkus passiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stabilität von Elektroden und Elektrolyt von verschiedenen Faktoren abhängt – beispielsweise der Ladespannung, der Betriebstemperatur sowie kleinsten chemischen Verunreinigungen.
„Für Anwender aus der Industrie ist die neue Messmethode hochinteressant“, sagt Prof. Hubert Gasteiger, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie. „So konnten wir mit unseren Untersuchungen zeigen, dass sich die Gasentwicklung in den Batterien verringern lässt, wenn man der Elektrolytflüssigkeit die richtigen Additive beimischt oder die Wechselwirkung zwischen den Elektroden unterbindet.“

Vor allem ein Forschungsergebnis habe direkte Auswirkungen auf die Praxis: Je höher die angestrebte Spannung, desto weniger Restfeuchte dürfen die Materialien besitzen. Die Lebensdauer künftiger Zellen könnte verlängert werden, indem das in vielen Elektrolyten verwendete Ethylencarbonat durch stabilere Lösungskomponenten ersetzt wird.

14.12.2016 | Quelle: Technische Universität München | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH