Auslöser für formatabhängige Alterung identifiziert

Um neue Batteriematerialien zu testen, werden diese zunächst meist in Knopfzellen verbaut und untersucht, bevor sie in den anwendungsnäheren Pouch-Zellen validiert werden. Knopfzellen haben den Vorteil, dass sie schnell, günstig und mit geringem Materialverbrauch hergestellt werden können. Sie altern jedoch deutlich schneller als Pouch-Zellen. Das erschwert die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse und birgt das Risiko, vielversprechende Materialien frühzeitig auszuschließen. Um die Ursachen für die formatabhängige Alterung zu identifizieren, hat ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster Knopf- und Pouch-Zellen mit identischen Materialien zyklisch und kalendarisch gealtert und miteinander verglichen.  

Knopfzellgehäuse als mögliche Ursache ermittelt

Im Gegensatz zu Pouch-Zellen verlieren Knopfzellen sowohl bei der zyklischen als auch der kalendarischen Alterung durchweg schneller an Kapazität. Diese Diskrepanz nimmt mit steigender Temperatur zu. „Das erschwert es, Ergebnisse von dem einen auf das andere Format zu übertragen“, ordnet MEET Doktorand Kai Büscher die Analysen ein.

Das Forschungsteam untersuchte deshalb systematisch verschiedene mögliche Ursachen. Faktoren wie Druck, Elektrolyt- und Additivmenge, Lithium-Plating sowie Widerstand schlossen sie als Hauptursache aus. „Unsere Ergebnisse deuten vielmehr darauf hin, dass die Knopfzellgehäuse nicht vollständig dicht sind. Vermutlich kann dadurch Feuchtigkeit eindringen, die Zersetzungsreaktionen begünstigt und die Alterung beschleunigt“, erklärt Büscher. Dafür spricht auch, dass eine zusätzliche Abdichtung der Knopfzellen mit Pouchfolie den Alterungseffekt deutlich reduzierte.

Dr. Philip Niehoff, stellvertretender Leiter des MEET Forschungsbereichs „System Zelle“, ergänzt: „Um Ergebnisse möglichst präzise übertragen zu können, sollten Knopfzellen deshalb bei niedrigen Temperaturen und mit kürzeren Testdauern untersucht oder zusätzlich abgedichtet werden.“ Die Erkenntnisse tragen dazu bei, Batteriematerialien zuverlässiger zu bewerten und aufwendige Wiederholungstests in größeren Zellformaten zu reduzieren. Unterschiede zwischen beiden Zellformaten, die weiterhin bestehen, will das Forschungsteam in zukünftigen Studien genauer untersuchen.

Gesamte Studie online verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse haben die Wissenschaftler Kai Büscher, Bastian Vetter, Dr. Sascha Nowak und Dr. Philip Niehoff, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich im „Journal of The Electrochemical Society” veröffentlicht.