Batterieforschung: Verteilung von Lithium-Isotopen dient als Fingerabdruck für Alterungsprozesse

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch komplexe Alterungsprozesse begrenzt, deren Ursachen oft schwer voneinander zu unterscheiden sind. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) konnten zeigen, dass die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in den Zellen wie ein Fingerabdruck direkt mit den Degradationsprozessen zusammenhängt. Dieser Zusammenhang eröffnet neue Möglichkeiten, Alterungsmechanismen besser zu verstehen und Batterien gezielter zu optimieren.

Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Trotz kontinuierlicher Fortschritte bei Leistung und Lebensdauer bleibt jedoch ein zentrales Problem ungelöst: Mit jedem Lade- und Entladezyklus altern Zellen. Ihre Kapazität sinkt und die Leistungsfähigkeit nimmt ab.

Verantwortlich dafür sind mehrere komplexe Prozesse im Inneren der Batterie. Bislang ist die Herausforderung ungelöst, diese Alterungsmechanismen eindeutig zu identifizieren und sie voneinander zu unterscheiden. Herkömmliche Diagnoseverfahren zeigen zwar, dass eine Batterie altert, liefern jedoch häufig nur begrenzte Informationen darüber, wann, wo und durch welchen Mechanismus die Degradation ausgelöst wird.

Ein BAM-Team um Carlos Abad und Beatrice Battistella hat einen neuen Ansatz entwickelt, der in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht wurde. Die Forschenden nutzen die Verteilung von zwei Lithium-Isotopen in einer Zelle als Diagnosewerkzeug für Alterungsprozesse. Ihre charakteristischen Spuren und Muster liefern einen Fingerabdruck der zugrunde liegenden Degradationsmechanismen.

Die Methode macht sich zunutze, dass natürliches Lithium aus den beiden Isotopen Lithium-6 und dem geringfügig schwereren Lithium-7 besteht. Dabei handelt es sich um Varianten desselben chemischen Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen. In neuen Batterien sind beide Lithium-Isotope so verteilt wie in allen natürlichen Vorkommen des Alkalimetalls auch, d.h. in einem Verhältnis von 2,4 zu 97,6 Prozent.

Konkret untersucht haben die Forschenden eine Lithium-Batterie mit einer Kathode aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und einer Graphitanode. Schon nach den ersten Ladezyklen sammelte sich Lithium-6 bevorzugt an der Anode. Nach weiteren 280 Zyklen verstärkte sich dieser Effekt, während die Kathode deutlich erhöhte Lithium-7-Gehalte aufwies. Gleichzeitig sank die Kapazität der Zellen.
Möglich wurde der Nachweis durch eine hochauflösende Form der Massenspektrometrie, mit der sich die Verteilung der Lithiumisotope schichtweise über die gesamte Tiefe der Elektroden hinweg bestimmen ließ. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit Nu Instruments Ltd. in Großbritannien sowie mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden).

„Die Verteilung der Lithium-Isotope liefert damit direkte Informationen über Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Batterien. Die Isotope wirken wie natürliche Marker. Ihre Verteilung zeigt uns, wie sich Lithium während des Batteriebetriebs bewegt und an welchen Stellen Veränderungen auftreten“, so Beatrice Battistella. Die Forschenden konnten zudem belegen, dass diese Spuren eng mit dem Kapazitätsverlust der Batterien zusammenhängen.

Für Beatrice Battistella und Carlos Abad liegt die Bedeutung der Ergebnisse vor allem in ihren Anwendungsmöglichkeiten für präzise Messungen: Anstatt Alterung lediglich am Kapazitätsverlust zu erkennen, könnte sie künftig deutlich früher anhand der Spuren, die Lithium-Isotope in der Batteriezelle hinterlassen, verfolgt werden. Das ermöglicht ein präziseres Verständnis der Alterungsmechanismen und ist letztlich entscheidend, um Batterien gezielter zu verbessern und ihre Lebensdauer genauer vorherzusagen.