Evonik Forschungspreis verliehen

Elektroden-Reaktionen in Lithium-Ionen-Zelle separat untersuchen

16. Januar 2017, 16:45 Uhr   |  Hagen Lang

Elektroden-Reaktionen in Lithium-Ionen-Zelle separat untersuchen
© Monika Weiner / TUM

Eine Glaskeramik-Membran, die mit Aluminium und Kunststoff beschichtet ist, lässt nur Lithium-Ionen durch. Für alle anderen Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit ist sie undurchlässig

Michael Metzger vom Lehrstuhl für Technische Elektrochemie an der Technischen Universität München (TUM) hat für seine Batterie-Testzelle mit separierten Elektroden den Evonik Forschungspreis erhalten. Sie erlaubt bislang nicht mögliche Analysen elektrochemischer Vorgänge innerhalb der Zelle.

»Die Hersteller von wieder aufladbaren Batterien setzen vor allem auf die bewährte Lithium-Ionen-Technologie, die schon seit Jahren in mobilen Geräten wie Laptops und Mobiltelefonen eingesetzt wird«, berichtet TUM-Forscher Michael Metzger. »Diese Technik an die Anforderungen der Elektromobilität und der stationären Stromspeicher anzupassen, ist jedoch nicht trivial.«

Die herkömmlichen Akkus seien für hohe Leistungen nur bedingt geeignet, denn: »Um die Energiedichte zu erhöhen, muss man die Spannung beziehungsweise die Kapazität vergrößern, und da stoßen die traditionellen Elektrodenmaterialien und Elektrolytflüssigkeiten an ihre Grenzen«, so Metzger.

Der momentane Forschungsfokus liegt darauf, spezielle Elektrodenmaterialien zu entwickeln, die statt bisher 4,2 bis 4,3 V eine Spannung von 5 V liefern. Die damit verbundene Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Elektroden und Elektrolyte kann dazu führen, dass die Akkuleistung schon nach wenigen Ladezyklen sinkt oder sich an den Elektroden Gase bilde, die die Batteriezellen aufblähen. »Die Zukunft der Lithium-Ionen-Akkus hängt davon ab, ob man diese unerwünschten Reaktionen in den Griff bekommt«, erklärt Metzger.

Preisverleihung
© Martin Schellerer/ TUM

Dr. Georg Oenbrink, Leiter der Abteilung Innovation Networks & Communications bei Evonik Industries überreicht Michael Metzger den Evonik Forschungspreis 2016

Dazu muss man die Vorgänge innerhalb der Zellen genau analysieren, was bislang nicht möglich war.

Mit der in drei Jahren entwickelten Batterietestzelle, die er mit seinem Team entwickelt hat, kann er die chemischen Prozesse während der Lade- und Entladevorgänge jetzt genau untersuchungen. »Normalerweise sind Elektrolytflüssigkeit sowie Elektroden – die positive Kathode und die negative Anode – elektrochemisch in einem ständigen Austausch«, so Metzger. »Es war daher bislang nicht möglich, die Reaktionen an Anode und Kathode getrennt voneinander zu untersuchen. Wir sind die ersten, denen das gelungen ist«.

Das funktioniert, weil die Testzelle nicht vollständig abgeschlossen, sondern mit einer dünnen Kapillare versehen ist, durch die Gase abgeleitet und in einem Massenspektrometer untersucht werden. Um die Vorgänge an Anode und Kathode getrennt untersuchen zu können, entwickelten die Münchner ferne eine Membran aus dünner, mit Kunststoff und Aluminium beschichteter Glaskeramik, die nur Lithium-Ionen und keine anderen Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit durchlässt.

Erstmals konnten die Forscher Stabilitätsfaktoren für einen Hochvolt-Akku eruieren, wie Ladespannung, Betriebstemperatur und chemische Verunreinigungen. Es zeigte sich, dass die Elektrolytflüssigkeit sich desto schneller zersetzt, je höher Temperatur und angelegte Spannung sind. Die dabei entstehenden Gase (Kohlenmonoxid und –dioxid) können das Gehäuse aufblähen.

Schon kleinste Wasserspuren in der Zelle wirken als Oxidationsmittel für den Kohlenstoff der Kathode und setzen Wasserstoff an der Anode frei. Chemische Reaktionen an Anode und Kathode führen zu Wechselwirkungen, dem »Cross-Talk«, der leistungsmindernd wirkt und bislang noch kaum erforscht ist.

»Für Anwender aus der Industrie ist die neue Messmethode hochinteressant«, sagt Prof. Hubert Gasteiger, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie. »So konnten wir mit unseren Untersuchungen zeigen, dass sich die Gasentwicklung in den Batterien verringern lässt, wenn man der Elektrolytflüssigkeit die richtigen Additive beimischt oder die Wechselwirkung zwischen den Elektroden unterbindet.«

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