Rampe statt Stufen

  • 08. September 2015

Warum sich Lithiumionen-Batterien schnell aufladen lassen.

Lithiumeisenphosphat-Batterien sind langlebig und lassen sich relativ schnell aufladen. Der Grund für das schnelle Laden der Batterie liegt darin, dass die Lithiumionen bei höheren Ladespannungen gleichmäßig über das Volumen der Partikel verteilt sind, aus denen die lithiumhaltige Batterie-Elektrode besteht. Das zeigt eine Studie von Forschern des Paul-Scherrer-Instituts, der ETH Zürich und des japanischen Autobauers Toyota. Die gleichmäßige Verteilung macht die Lithiumionen in der Batterie beweglicher. Legt man hingegen eine niedrigere Spannung zum Laden der Batterie an, konzentrieren sich die Lithiumionen in einer dünnen Schicht in den Partikeln der Elektrode und kommen deshalb weniger leicht in Bewegung, ent­sprechend langsame lädt die Batterie. Die für die Versuche entwickelte Messtechnik könnte auch auf andere Batteriematerialien, die ebenfalls schnelles Aufladen ermöglichen, angewendet werden.

Lithium-Batterie

Abb.: Die LFP-Zelle (links), an der die Messungen durchgeführt wurden. Rechts daneben die Halterung (rot), mit der die Zelle befestigt wurde. (Bild: M. Dzambegovic, PSI)

Das Lithium in einer LFP-Batterie liegt ursprünglich in Form von nahezu kugelförmigen Partikeln in der positiven Elektrode vor. Bei niedrigen Lade­spannungen wird das Lithium von einer Seite der Partikel entnommen. Dadurch bilden sich in den Partikeln zwei Hälften aus: eine praktisch komplett vom Lithium entleerte Schicht und eine mit Lithium aufgefüllte Schicht. An der Grenze zwischen diesen Schichten entsteht somit ein steiles, stufenartiges Gefälle in der Lithiumkonzentration. Den Lithiumionen, die sich an der schmalen Grenzschicht befinden und sich beim Laden von links nach rechts bewegen, muss nun nicht nur für ihre Fortbewegung, sondern auch allein für das Überwinden der Stufe zusätzliche Energie zugeführt werden. Das hemmt die Bewegung der Ionen in der Batterie und führt dazu, dass diese eher langsam geladen werden kann.

Diese Hemmungen sind geringer, wenn man die Batterie unter höherer Spannung auflädt. Der Grund dafür: Das stufenartige Konzentrationsgefälle weicht dann einem sanfteren, rampenähnlichen Verlauf der Lithium-Konzentration. Die am Ladevorgang beteiligten Lithiumionen sind unter höheren Spannungen für kurze Augenblicke über das Volumen der Elek­tro­denpartikel verteilt, statt in einer schmalen Schichtgrenze zusammen­ge­pfercht. Dadurch kann das Lithium beim Laden leichter in Bewegung gebracht werden, ohne dass mehr Energie für das Überwinden der Schichtgrenze aufgebracht werden muss.

Den Nachweis, dass der Lithiumgehalt in den Elektrodenpartikeln beim schnellen Laden zeitweise gleichmäßig statt schlagartig von außen nach innen zunimmt, erbrachten die Wissenschaftler durch Messungen an der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz des Paul-Scherrer-Instituts. Sie verwendeten dabei Röntgenlicht, um Veränderungen in der Struktur des Elektroden-Materials während des Ladens und Entladens zu verfolgen. Beim langsamen Laden ist die Gitterstruktur in den LFP-Partikeln in beiden Schichten gleich. Der Abstand zwischen den Atomen hingegen ist vom Lithiumgehalt abhängig und somit in jeder Schicht anders. Dieser Abstand verändert sich nämlich, wenn Lithium aus der äußeren Schicht entnommen wird. Das ist im Beu­gungs­muster ersichtlich: Beim langsamen Laden besteht das Muster aus zwei hellen Bereichen, einem für jede Schicht mit ihren unterschiedlichen Atomabständen, die durch einen dunklen Bereich voneinander getrennt sind.

Wenn sich die scharfe Grenze beim schellen Laden auflöst, werden im Beugungsmuster neue Bereiche mittlerer Helligkeit sichtbar. Diese zu­sätz­lichen hellen Bereiche stammen aus Teilen des Partikels mit mehreren unterschiedlichen Werten des Lithiumgehalts und folglich mit anderen Atomabständen. Sie sind also ein Hinweis darauf, dass das Lithium jetzt nicht mehr in einer Schicht konzentriert, sondern gleichmäßig über die Partikel verteilt ist. Die Zwischenzustände, die das schnelle Laden ermöglichen, sind kurzlebig: Sie entstehen und verschwinden schnell wieder während des Ladens. Deshalb ist ihr Signal in einem Beugungsmuster sehr schwach, wenn man nur einen Ladevorgang beobachtet. Um sie trotzdem deutlicher zutage treten zu lassen, haben die Forscher eine Langzeitaufnahme gemacht, die sich über mehrere Ladevorgänge erstreckt hat.

„Wir haben mit unserer neuartigen Messtechnik einige Theorien bestätigt und andere widerlegt, die die schnelle Aufladbarkeit von LFP-Batterien zu erklären versuchen“, sagt der Leiter der Studie, Petr Novak vom PSI. „Mit unseren Ergebnissen können wir nicht nur die LFP-Batterie besser verstehen und zu ihrer Weiterverbesserung beitragen. Die von uns entwickelte Messmethode wird uns auch in die Lage versetzen, Materialien zu untersuchen, die in anderen, ebenfalls schnell aufladbaren Batterien zum Einsatz kommen. Somit werden auch diese anderen Batterietypen profitieren.“

PSI / RK

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