TUM – Technische Universität München Menü
Eine Glaskeramik-Membran, die mit Aluminium und Kunststoff beschichtet ist, lässt nur Lithium-Ionen durch. Für alle anderen Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit ist sie undurchlässig – Foto: 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 – Foto: Monika Weiner / TUM
  • Forschung

Evonik Forschungspreis für Lithium-Ionen-Akku-Testzelle mit separierten Elektroden

Mehr Spannung in der Akku-Forschung

Im Kleinen haben sich die wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Akkus längst bewährt: Seit Jahren versorgen sie Milliarden portabler Geräte zuverlässig mit Energie. Auch die Hersteller von Elektroautos und Stromspeichern setzen auf die Lithium-Ionen-Technik. Allerdings wünschen sie sich für diese Hochvolt-Anwendungen neue Elektrodenmaterialien und Elektrolyte. Um die zu testen und zu verbessern, hat Michael Metzger vom Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der Technischen Universität München (TUM) eine innovative Batterie-Testzelle entwickelt. Für seine Arbeiten wurde der Forscher unlängst mit dem Evonik Forschungspreis ausgezeichnet.

Energiespeicher sind gefragt wie nie zuvor. Milliarden Mobiltelefone und Tablets brauchen Strom-to-go. Dazu kommen immer mehr Elektroautos. Leistungsfähige Akkus könnten aber auch regenerative Energie speichern, die Windräder und Solarzellen erzeugen, damit man sie an wolkigen und windlosen Tagen wieder ins Netz einspeisen kann.

„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 gängigen Akkus seien für hohe Leistungen nur bedingt geeignet: „Um die Energiedichte zu erhöhen, muss man die Spannung beziehungsweise die Kapazität vergrößern, und da stoßen die traditionellen Elektrodenmaterialien und Elektrolytflüssigkeiten an ihre Grenzen“, ergänzt der Physiker.

Weltweit läuft daher die Forschung auf Hochtouren. Ingenieure experimentieren beispielsweise mit speziellen Elektrodenmaterialien, die statt der bisher maximalen 4,2 bis 4,3 Volt eine Spannung von nahe 5 Volt liefern können.

Zu Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie Ihren Ingenieur

Dieses „Batterie-Doping“ hat jedoch auch Nebenwirkungen: So können Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Elektroden beziehungsweise der Elektrolyte dazu führen, dass die Leistung der Akkus schon nach wenigen Ladezyklen abnimmt oder dass sich an den Elektroden Gase bilden, welche die Batteriezellen aufblähen.

„Die Zukunft der Lithium-Ionen-Akkus hängt davon ab, ob man diese unerwünschten Reaktionen in den Griff bekommt“, prognostiziert Metzger. Eine Voraussetzung dafür hat er jetzt geschaffen: Mit der neuen Batterie-Testzelle, die er zusammen mit seinem Team entwickelt hat, lassen sich die chemischen Prozesse, die beim Laden und Entladen ablaufen, detailliert untersuchen.

Eine Testzelle für die Akkus der Zukunft

Drei Jahre haben die Forscher an der Apparatur getüftelt. „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.“

Der Trick: Die Batterie-Testzelle, die wie jeder Lithium-Ionen-Akku aus Anode, Kathode und dem Elektrolyten besteht, ist nicht vollständig abgeschlossen, sondern mit einer dünnen Kapillare versehen. Durch diese können Gase, die beim Laden und Entladen frei werden, abgeleitet und in einem Massenspektrometer untersucht werden.

Um die Vorgänge an Anode und Kathode getrennt studieren zu können, haben die Ingenieure außerdem eine Membran – ein dünnes mit Aluminium und Kunststoff beschichtetes Glaskeramik-Plättchen – so modifiziert, dass sie nur für Lithium-Ionen, nicht aber für alle anderen Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit durchlässig ist.

Wasser ist Gift für den Akku

Mit ihrer Testzelle konnten die Forscher erstmals exakt nachvollziehen, was im Inneren eines Hochvolt-Akkus passiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stabilität von Elektroden und Elektrolyt von verschiedenen Faktoren abhängt – beispielsweise der Ladespannung, der Betriebstemperatur sowie kleinsten chemischen Verunreinigungen:

* Je höher die angelegte Spannung und die Temperatur, desto schneller zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit. Die dabei frei werdenden Gase, hauptsächlich Kohlenmonoxid- und Kohlendioxid, können dazu führen, dass sich das Gehäuse aufbläht.

* Schon kleinste Spuren von Wasser, die in die Zelle eindringen, setzen Wasserstoff an der Anode frei und agieren als Oxidationsmittel für den Kohlenstoff in der Kathode. Dies beeinträchtigt die Leitfähigkeit der Elektrode.

* Die chemischen Reaktionen, die an Anode und Kathode ablaufen, führen zu Wechselwirkungen. Dieser „Cross-Talk“, der bisher kaum erforscht ist, setzt die Leistung der Zelle insgesamt herab.

Messungen für die Praxis

„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.“

Vor allem ein Forschungsergebnis hat direkte Auswirkungen auf die Praxis: Je höher die angestrebte Spannung, desto weniger Restfeuchte dürfen die Materialien besitzen. Die Lebensdauer zukünftiger Zellen könnten Hersteller verlängern, indem sie das in vielen Elektrolyten verwendete Ethylencarbonat durch stabilere Lösungskomponenten ersetzen.

Doch auch hier steckt der Teufel im Detail: Eine geringe Menge an Ethylencarbonat wird in derzeitigen Systemen gebraucht, um die Anode zu passivieren. Die neue Zelle ermöglicht nun, die Prozesse an Anode und Kathode getrennt voneinander zu betrachten und vielleicht völlig neue Lösungen zu finden.

Evonik-Forschungspreis für innovative Entwicklungen

Für die Entwicklung der Batterie-Testzelle, die erstmals massenspektrometrische Untersuchungen und eine getrennte Analyse der Vorgänge an den beiden Elektroden erlaubt, wurde Metzger unlängst mit dem Evonik-Forschungspreis ausgezeichnet, den der Chemie-Konzern Evonik jedes Jahr an einen herausragenden Nachwuchswissenschaftler vergibt.

Publikationen:

M. Metzger, P. Walke, B. Strehle, S. Solchenbach, and H. A. Gasteiger: Anodic Oxidation of Carbon and Electrolyte with Different Conducting Salts in High-Voltage Lithium-Ion Batteries Studied By Online Electrochemical Mass Spectrometry; Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science, 5. Okt. 2016

M. Metzger, B. Strehle, S. Solchenbach, and H. A. Gasteiger: Hydrolysis of Ethylene Carbonate with Water and Hydroxide under Battery Operating Conditions, J. Electrochem. Soc., 163 (7), A1219-A1225 (2016), DOI: 10.1149/2.0411607jes.

M. Metzger, B. Strehle, S. Solchenbach, and H. A. Gasteiger, “Origin of H2-Evolution in LIBs: H2O Reduction vs. Electrolyte Oxidation”, J. Electrochem. Soc., 163 (5), A798-A809 (2016), DOI: 10.1149/2.1151605jes.

Kontakt:

Prof. Dr. Hubert Gasteiger
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Elektrochemie
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289-13674E-Mail - Web

Corporate Communications Center

Technische Universität München Dr. Andreas Battenberg
battenberg(at)zv.tum.de

Weitere Artikel zum Thema auf www.tum.de:

Windräder, Solarmodule und Wasserstoffspeicher

Wie „Power-to-Gas“ umweltfreundlich und rentabel wird

Wasserstoff könnte schon heute mit Strom aus Windkraft profitabel produziert werden. Bislang galt diese umweltfreundliche „Power-to-Gas“-Methode als unrentabel. Ökonomen der Technischen Universität München (TUM) und der...

Der Helixnebel, 700 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Cluster ORIGINS erforscht die Entstehung des Universums und des ersten Lebens. (Bild: ESO/VISTA/J. Emerson)

TUM mit vier Exzellenzforschungsclustern erfolgreich

Abermals startet die Technische Universität München (TUM) erfolgreich in die hochwettbewerbliche Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder. Vier Forschungscluster der TUM und ihrer Kooperationspartner werden in den...

Seinen 60. Geburtstag feiert das Garchinger „Atom-Ei“, der Forschungsreaktor München wurde am 31.10.1957 in Betrieb genommen. (Foto: Bernhard Ludewig / TUM)

Das Atom-Ei feiert 60. Geburtstag

Am 31. Oktober 1957 ging der Forschungsreaktor München (FRM) zum ersten Mal in Betrieb. Bis ins Jahr 2000 lieferte das „Atom-Ei“ der Technischen Universität München (TUM) zuverlässig Neutronen für die Grundlagenforschung...

Pinkfarbenes, mikrokristallines Lithium-Kobaltphosphat. (Foto: Andreas Battenberg / TUM)

Elektrodenmaterialien aus der Mikrowelle

Power für unterwegs ist gefragt: Je leistungsfähiger der Akku, desto größer die Reichweite von Elektroautos und desto länger die Betriebszeit von Handys und Laptops. Dr. Jennifer Ludwig von der Technischen Universität...

TUM-Präsident Prof. W.A. Herrmann, Dr. Michael Metzger und Strategy&-Geschäftsführer Dr. Marcus Morawietz bei der Preisverleihung im Vorhoelzer Forum der TU München (Bild: Andreas Battenberg / TUM)

Neues Werkzeug für die Akku-Forschung

Lange Zeit war es kaum möglich, die Reaktionen an Anode und Kathode von Lithium-Ionen-Akkus getrennt voneinander zu untersuchen. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte Michael Metzger vom Lehrstuhl für Technische...

Erstautor Johannes Wandt mit dem von ihm gebauten Messröhrchen für die Elektronenspinresonanz-Versuche - Bild: Andreas Battenberg / TUM

Indizien weisen den Weg zu neuer Akku-Technologie

Lithium-Luft-Akkus gelten als Zukunftstechnologie: Theoretisch können sie nicht nur wesentlich leistungsfähiger sein als die derzeit gängigen Lithium-Ionen-Akkus, sondern auch leichter. Noch sind die neuen Energiespeicher...

Dr. Stefan Seidlmayer mit Dr. Petra Kudejová am Instrument PGAA des FRM II - Bild: Claudia Niiranen / TUM

Ewige Jugend für Batterien?

Ein wichtiges Problem von Lithiumionen-Akkus ist ihre Alterung. Sie mindert die erzielbare Speicherkapazität erheblich. Bisher ist nur wenig darüber bekannt, wie es dazu kommt. Wissenschaftler des Lehrstuhls für Technische...

Lithium-Ionen-Zelle aus der Vogelperspektive.

Live-Schaltung ins Innere der Batterie

Lithium-Ionen-Batterien gelten als Energiespeicher der Zukunft und sind vor allem für die Elektromobilität unverzichtbar. Sie haben die Fähigkeit, viel Energie zu speichern, sind aber vergleichsweise kompakt und leicht....