Erstes theoretisches Modell der Ladezyklusleistung könnte die Batterieforschung revolutionieren

Ein Problem bei der Batterieentwicklung besteht darin zu verstehen, wie sich die Leistung mit dem Alter ändert. Eine gute Kenntnis dieser Art der Degradation ermöglicht es Forschern, ineffektive Designs früher zu verwerfen und sich auf vielversprechendere zu konzentrieren.

Allerdings hat noch niemand ein gutes theoretisches Modell der Batterieverschlechterung entwickelt, so dass diese Art von Informationen aus Experimenten gewonnen werden müssen, was eine lange und kostspielige Aufgabe sein kann. Heutige Lithium-Ionen-Batterien zersetzen sich beispielsweise über Tausende von Zyklen.

Matthew Pinson und Martin Bazant vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge sagen, dass die Verfügbarkeit eines einfachen, aber genauen mathematischen Modells für Kapazitätsschwund und Lebensdauerstatistiken die Entwicklung und Kommerzialisierung von Batterien erheblich beschleunigen könnte.



Und genau das haben diese Jungs entwickelt – ein einfaches Modell dafür, wie die Batteriekapazität im Laufe der Zeit nachlässt.

Batterien bauen allmählich ab, da der Lade- und Aufladevorgang unweigerlich seinen Tribut fordert. Während dieses Zyklus pendeln Ionen von einem Teil der Batterie zum anderen und drängen sich in Gitter, die nicht immer dafür ausgelegt sind, sie leicht aufzunehmen.

Wenn beispielsweise Lithium-Ionen in ein Siliziumgitter eintreten, bewirken sie, dass sich sein Volumen um den Faktor vier ausdehnt. Dadurch entstehen bei jedem Ladezyklus erhebliche mechanische Spannungen, die dazu neigen, das Silizium zu zerreißen. Daher ist Silizium, obwohl ansonsten vielversprechend, als Anodenmaterial noch nicht verwendet worden.

Bei Lithium-Ionen-Batterien tritt ein Kapazitätsverlust aus einem anderen Grund auf. In diesem Fall reagiert der Elektrolyt mit Lithium an der negativen Elektrode und bildet eine permanente feste Schicht, die als Festelektrolyt-Zwischenphase bezeichnet wird.

Der Akku funktioniert weiterhin, da Lithium-Ionen diese Schicht problemlos durchdringen können.

Trotzdem wächst diese Schicht langsam. Die Reaktion mit dem Elektrolyten entfernt Lithium aus dem System, und dies führt nach vielen Tausend Zyklen zu einer allmählichen Verringerung der Leistung, die als Kapazitätsschwund bezeichnet wird. Dies führt schließlich dazu, dass die Batterie nicht mehr funktioniert.

Das neue Modell von Pinson und Bazant simuliert diesen Prozess. Sie modellieren den Konzentrationsgradienten von Lithium durch die Festelektrolyt-Zwischenphase und den Konzentrationsgradienten anderer reaktiver Bestandteile im Elektrolyten. Auf diese Weise können sie simulieren, wie sich die Interphasenschicht im Laufe der Zeit entwickelt.

Nach unserem Wissen ist dies der erste Versuch, die räumlich-zeitliche Verteilung der Festelektrolyt-Zwischenphasenbildung in einer porösen Elektrode theoretisch vorherzusagen, sagen Pinson und Bazant.

Anschließend erweitern sie das Modell, um mit anderen Materialien zu arbeiten, die sich schnell abbauen, wie zum Beispiel Silizium.

Natürlich ist ein wichtiger Test jedes Modells, wie gut es mit experimenteller Beobachtung übereinstimmt. Insofern funktioniere das Modell gut, heißt es. Unsere einfachen Modelle sind in der Lage, eine Vielzahl von veröffentlichten experimentellen Daten für Graphit- und Siliziumanoden genau anzupassen.

Das ist sicherlich vielversprechend, aber in der notorisch komplexen Welt der Elektrochemie ist immer Vorsicht geboten. Wenn ein einfaches Modell helfen kann, komplexes Verhalten zu erklären, alles schön und gut. Aber es wird viele Zweifler geben, die überzeugt werden müssen.

Der eigentliche Test wird sein, ob dieses Modell einen Vorhersagewert für die reale Batterieforschung hat – ist es zuverlässig genug, um die Richtung zukünftiger Arbeiten zu bestimmen?

Das ist noch eine offene Frage.

Ref: arxiv.org/abs/1210.3672 : Theorie der SEI-Bildung in wiederaufladbaren Batterien: Kapazitätsverlust, beschleunigte Alterung und Lebensdauervorhersage

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