Rätsel gelöst – Forscher entdecken Ursache für Akku-Selbstentladung

Rätsel gelöst – Forscher entdecken Ursache für Akku-Selbstentladung

Kanadischen Forschern der Dalhousie University ist es gelungen herauszufinden, weshalb sich Lithium-Ionen-Akkus mit der Zeit selbst entladen. Bei den Akkus, die unter anderem bei Smartphones, Notebooks oder E-Autos eingesetzt werden, kommt es zu einem schleichenden Leistungsverlust durch Lithiumablagerungen. Das Problem dieses Energieverlusts lässt sich jetzt, da die Ursache gefunden wurde, einfach lösen.

Wie sind die Forscher der Ursache auf den Grund gegangen?

Lithium-Ionen-Akkus sind aufgrund ihrer langen Haltbarkeit, der hohen Energiedichte sowie des vergleichsweisen geringen Gewichtes sehr beliebt und kommen daher bei vielen Geräten zum Einsatz. Doch die Akkus verlieren mit der Zeit ihre Ladung, selbst dann, wenn sie gar nicht in Gebrauch sind, was zu einem Energieverlust führt. Die Forscher rund um Sebastian Buechele sind dem Rätsel um die Selbstentladung auf die Spur gegangen. Mit dem Ziel, das Molekül zu finden, welches für die Selbstentladung verantwortlich ist. Von Wissenschaftlern wurde bereits seit Längerem angenommen, dass hinter dem Energieverlust ein sogenanntes Redox-Shuttle steckt. Hierbei handelt es sich um eine Reduktion-Oxidation, also eine Oxidation, die rückgängig gemacht wird: Elektroden werden aufgenommen, anstatt abgegeben.

„Für jedes Elektron, das auf diese Weise von der negativen zur positiven Elektrode transportiert wird, bewegt sich auch ein Lithium-Ion dorthin und verursacht so die Selbstentladung“, erklärt Studienleiter Buechele.

Um herauszufinden, welches elektrochemisch aktive Molekül hierfür verantwortlich ist, untersuchten die kanadischen Forscher verschiedene Lithium-Ionen-Akku-Typen im Detail. Untersucht wurden unter anderem auch NMC-Akkus, die in Smartphones zum Einsatz kommen. Der normalerweise farblose Elektrolyt verfärbt sich bei Erwärmung des Akkus. Daher setzten die Forscher die Batterien unterschiedlichen Temperaturen aus und untersuchten sowohl die chemische Zusammensetzung der einzelnen Bauteile sowie das elektrochemische Verhalten.

Zu welchem Ergebnis sind die Forscher gekommen?

Je stärker die Erwärmung, desto stärker verfärbt sich der Elektrolyt. Bei einer Temperatur über 25 Grad Celsius stellte das Team um Buechele eine gelbliche Verfärbung fest. Mit steigender Temperatur verfärbte sich das normalerweise farblose Elektrolyt orange und bei einer Temperatur über 70 Grad Celsius erreichte es letztendlich eine stark dunkelrote Farbe. Weiterhin ergaben die Messungen, dass ein Redox-Prozess abläuft. Anhand chemischer Untersuchungen mithilfe der Gaschromatografie-Massenspektrometrie gelang es dem Team schließlich herauszufinden, welches Molekül für die Selbstentladung verantwortlich ist:

„Unseren Expertinnen zufolge kommt nur Dimethyl-Terephthalat (DTM) als potenzielles Redox-Shuttle in den Elektrolyten infrage“, so der Studienleiter.

Diese Erkenntnis ist überraschend, denn hierbei handelt es sich um die Grundeinheit des bekannten Kunststoffes Plyethylen-Terephthalat, kurz PET. Die Ursache für die Selbstentladung der Batterien ist demnach ein simples, inaktives Bauteil des Lithium-Ionen-Akkus. PET-Klebeband wird bei den gängigen Akkus als Klebeband verwendet, um die Elektrodenschichten zusammenzuhalten. Das Ergebnis überrascht die Forscher: „Das hätten wir nie erwartet, weil niemand auf diese inaktiven Komponenten achtet. Aber es ist die chemische Zersetzung dieses Klebebands, die das Redox-Shuttle-Molekül erzeugt“, fasst Michael Metzger, Seniorautor der Studie zusammen. Künftig kann die Selbstentladung der Batterie also einfach dadurch verhindert werden, dass das PET-Klebeband durch eines aus einem weniger anfälligen Material ersetzt wird. Die kanadischen Forscher stehen hierfür bereits in Kontakt zu Herstellern.

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