Bei einem weit verbreiteten Typ von Lithium-Ionen-Batterien haben Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) und des Toyota-Forschungslabors in Japan einen Memory-Effekt entdeckt. Bislang wurde davon ausgegangen, dass bei Lithium-Ionen-Akkus der von anderen Akkutypen bekannte Effekt nicht auftritt. Die Arbeit der Forscher wurde jetzt in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Werden Akkus mit Memory-Effekt wiederholt aufgeladen, bevor sie vollständig entladen sind, sinkt die Arbeitsspannung der Batterie durch die unvollständigen Lade-/Entladezyklen mit der Zeit. Obwohl die Batterie noch Ladung hat, ist die Spannung, die sie liefert, irgendwann so niedrig, dass sie ihren Dienst nicht wie gewünscht verrichten kann. Konkret hat der Memory-Effekt zwei negative Folgen: Zum einen wird die nutzbare Speicherkapazität der Batterie reduziert. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, so dass Letzterer nicht mehr verlässlich anhand der Spannung bestimmt werden kann.

Seit langem bekannt ist der Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus. Bei den seit Anfang der 1990er Jahren erfolgreich vermarkteten Lithium-Ionen-Akkus wurde jedoch bisher die Existenz eines solchen Effekts ausgeschlossen.

Festgestellt haben die Forscher von PSI und Toyota den Memory-Effekt nun an einem der meistverbreiteten Materialien für die positive Elektrode von Lithium-Ionen-Akkus: Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Bei Lithium-Eisenphosphat bleibt die Spannung nämlich über einen großen Bereich des Ladezustands praktisch unverändert. Das bedeutet, dass bereits eine kleine anomale Abweichung der Arbeitsspannung als eine große Veränderung im Ladezustand missdeutet werden könnte. Oder mit anderen Worten: Wenn aus der Spannung auf den Ladezustand geschlossen wird, kann hier schon durch eine kleine Abweichung der Spannung ein großer Schätzfehler entstehen.

In Hybridautos problematisch

Die Forscher um Petr Novák, Leiter der Sektion Elektrochemische Energiespeicherung des Paul Scherrer Instituts, halten ihre Entdeckung vor allem im Hinblick auf die zu erwartende Verbreitung von Lithium-Ionen-Akkus im Bereich der Elektromobilität für relevant. Insbesondere bei Hybridautos, die bei jedem Bremsvorgang ihre Akkus durch den zum Generator verwandelten Motor aufladen, könnten so extrem viele Ladezyklen entstehen und zu Problemen führen. Die vielen aufeinander folgenden Zyklen unvollständiger Ladung beziehungsweise Entladung können durch Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte einen großen Memory-Effekt zur Folge haben, wie die neue Arbeit der Forscher zeigt.

Die Ursache für den Memory-Effekt liegt nach Ansicht der Wissenschaftler in der Art und Weise, wie das Laden beziehungsweise Entladen der Akkus auf der mikroskopischen Ebene vor sich geht. Das Elektrodenmaterial – in diesem Fall Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) – besteht aus einer sehr großen Zahl extrem kleiner Partikel, die nacheinander aufgeladen und entladen werden.

Das Laden schreitet Partikel für Partikel voran und besteht darin, dass die Teilchen Lithiumionen abgeben. Ein komplett geladenes Partikel ist demnach Lithium-leer und besteht nur noch aus Eisenphosphat (FePO4). Das Entladen wiederum besteht in der Wiederansammlung von Lithium-Atomen in den Elektrodenpartikeln, so dass aus Eisenphosphat (FePO4) wieder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) wird. Die Änderungen des Lithium-Anteils, die mit dem Laden beziehungsweise Entladen einhergehen, verursachen eine Änderung des chemischen Potenzials der einzelnen Partikel, was wiederum die Spannung der Akkus verändert.