Six-Seven: Lithiums Isotopen-Fingerabdruck macht Batteriealterung sichtbar

Lithium-Ionen-Batterien treiben Elektrofahrzeuge an und speichern erneuerbare Energie, verlieren jedoch mit der Zeit an Kapazität. Um langlebigere Batterien zu entwickeln, ist es wichtig, zu verstehen, was mit dem Lithium bei wiederholtem Laden und Entladen passiert. 

Lithium kommt in der Natur zwei stabilen Isotopen vor: Lithium-6 und Lithium-7.  Beide verhalten sich chemisch nahezu identisch, unterscheiden sich jedoch geringfügig in ihrer Masse. Dieser Unterschied kann beeinflussen, wie sie sich durch die Batterie bewegen und wo sie festgehalten werden. Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen zwischen den Elektroden. In einem idealen System würden sich beide Isotope gleich verhalten. Reale Batterien sind jedoch heterogen: Reaktionen finden an Grenzflächen statt, der Transport ist schnell, und dünne Grenzschichten bilden und verändern sich fortlaufend. Dadurch können selbst kleine Massenunterschiede Transport- und Einlagerungsprozesse beeinflussen.

In dieser Studie werden Lithium-Isotope als natürliche Tracer genutzt, um interne Prozesse während des Betriebs zu untersuchen. Statt externer Marker wird das Lithium-Isotopenverhältnis in unterschiedlichen Tiefen der Elektroden gemessen.

Untersucht wurden kommerzielle Batteriematerialien mit einer Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode und einer Graphitanode. Die Batterien wurden vor und nach wiederholtem Laden und Entladen sowie bei verschiedenen Laderaten analysiert.

Vor dem Zyklisieren war die isotopische Zusammensetzung homogen, was auf keine Trennung hindeutet. Nach dem Zyklisieren zeigte sich jedoch eine deutliche Umverteilung: Das schwerere Isotop war in der Kathode angereichert, das leichtere nahe der Anodenoberfläche. Dies zeigt eine messbare Isotopenfraktionierung im Betrieb. Ihr Ausmaß hing von der Laderate ab, was zeigt, dass die Kinetik den Lithiumtransport und das Trapping beeinflusst. Bemerkenswert ist, dass die isotopischen Muster mit Kapazitätsverlust korrelieren und so die Isotopenverteilung mit elektrochemischer Degradation verknüpfen.

Diese Signaturen sind besonders aufschlussreich für Prozesse an Elektrodenoberflächen, wo sich während des Zyklisierens reaktive Zwischenphasen bilden und entwickeln, die den Kapazitätsverlust stark beeinflussen. Diese Arbeit stellt einen Zusammenhang zwischen der lokalen Lithium-Isotopenzusammensetzung, der Entwicklung von Zwischenphasen und Degradationsmechanismen her und bietet einen diagnostischen Einblick in die zeitliche Entwicklung von Leistungsverlusten.

Depth-Resolved Lithium Isotope Fractionation as a Diagnostic of Interphase Evolution and Degradation in Lithium-Ion Batteries
Beatrice Battistella Adam Revill, Cornel Venzago, Volker Hoffmann, Leonardo Agudo Jácome, Dominik Al-Sabbagh, Sebastian Recknagel, Carlos Abad
ACS Energy Letters, 2026