Modifikation des Testprotokolls ermöglicht systematischere Anoden-Forschung
Anoden für Lithium-Ionen-Batterien zu erforschen und zu entwickeln ist mit enormen Herausforderungen verbunden. Um den Einfluss der Kathode zu eliminieren, werden oftmals Halb- anstelle von Vollzellen genutzt. In diesen Halbzellen liefert nicht das Kathodenmaterial wie Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) das Lithium, sondern eine Lithium-Metall-Elektrode. Durch den Überschuss an Lithium wird jedoch mit dem herkömmlichem Testprotokoll die Anode mit jedem neuen Ladezyklus wieder voll lithiiert. Lithiumverluste, die im Normalfall entstehen, da NMC-Kathoden keinen solchen Lithium-Überschuss haben, und damit einhergehende Kapazitätsverluste der Zellen werden somit nicht berücksichtigt. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun das für die Analysen notwendige Testprotokoll so modifiziert, dass Anoden systematisch und ohne den Einfluss der Kathode erforscht werden können.
Ladeschlusskriterium durch Kapazität bestimmt
Mit ihrem Ansatz lösen die Wissenschaftler*innen noch ein weiteres Problem der bisherigen Anoden-Forschung: Das Ladeschlusspotenzial, also die maximale Spannung, bei der der Ladevorgang einer Batterie endet, um das Überladen zu verhindern, reagiert empfindlich auf kleinste Veränderungen der Widerstände und Überspannungen. Das Ergebnis sind Kapazitätsschwankungen und eine geringe Reproduzierbarkeit der Resultate. „Deshalb haben wir das Testprotokoll so modifiziert, dass das Ladeschlusskriterium, das den Ladevorgang beendet, nicht mehr dem Ladeschlusspotenzial entspricht, sondern einer definierten Ladekapazität, und zwar der Entladekapazität des vorherigen Zyklus“, erklärt Ibrahim Lawan Abdullahi, Doktorand am MEET Batterieforschungszentrum und der internationalen Forschungsschule BACCARA. „Dadurch schaffen wir realistischere Rahmenbedingungen für unsere Untersuchungen.“
Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, fasst zusammen: „Auf diese Weise berücksichtigen wir nicht nur die Lithiumverluste, sondern erhöhen auch die Reproduzierbarkeit. Indem wir das Ladeschlusskriterium nicht mehr an das Ladeschlusspotenzial koppeln, beeinflusst letzteres unsere Ergebnisse nicht mehr – ähnlich wie in der finalen Lithium-Ionen-Batterie, in der das Anodenpotenzial auch nicht exakt auf einen definierten Wert fixiert ist.“
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Ibrahim Lawan Abdullahi, Laurin Profanter, Ineke Weich, Chirag Vankani, Dr. Lukas Stolz und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy and Sustainability Research“ veröffentlicht.