Neuer Durchbruch: So altern Lithium-Ionen-Batterien wirklich
Lithium-Ionen-Batterien verlieren mit der Zeit an Leistung. Die Ursachen für diesen Kapazitätsverlust sind weitgehend bekannt, doch die genauen Mechanismen waren bisher nicht vollständig erforscht. Nun haben japanische Wissenschaftler einen genaueren Einblick in den Alterungsprozess dieser Energiespeicher gewonnen.
Ein Forschungsteam der Tohoku-Universität in Japan hat eine innovative Methode entwickelt, um den Alterungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien detaillierter zu analysieren. Mit jeder Lade- und Entladephase sinkt die Leistung der Batterie, was unter anderem auf die schrittweise Auflösung von Metallionen in der Kathode zurückzuführen ist. Obwohl dieser Vorgang bekannt war, konnte er bislang nicht direkt beobachtet werden.
Dank modernster Magnetresonanztomographie (MRT) gelang es den Forschenden nun, diesen Prozess in Echtzeit sichtbar zu machen. Nithya Hellar, Wissenschaftlerin am Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM) der Tohoku-Universität, erklärt: „Unsere Studie zeigt, dass bereits geringste Mengen an Mangan (Mn) mit hoher Empfindlichkeit durch MRT erfasst und direkt beobachtet werden können. Das ermöglicht es uns, den Alterungsprozess von Batterien viel schneller und präziser zu erforschen.“
Dieser Durchbruch könnte dazu beitragen, die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien künftig erheblich zu verbessern.
Mangan in Bewegung: Wissenschaftler verfolgen Batteriezersetzung live
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das Magnetfelder und Radiowellen nutzt, um detaillierte Scans des Körperinneren zu erstellen. Um bestimmte Gewebebereiche besser sichtbar zu machen, kommen in der Regel Kontrastmittel wie Gadolinium zum Einsatz. Dieses ist paramagnetisch und verändert die magnetischen Eigenschaften der Zielbereiche, wodurch sie im MRT deutlicher hervortreten.
Forschende der Tohoku-Universität haben sich dieses Prinzip zunutze gemacht, um die Auflösung von Mangan-Ionen (Mn²⁺) aus einer LiMn₂O₄-Kathode in einem handelsüblichen Batterieelektrolyten zu untersuchen. Da auch das gelöste Mangan paramagnetische Eigenschaften besitzt, erwarteten sie, dass sich seine Freisetzung in den MRT-Bildern durch eine erhöhte Signalintensität zeigt – eine Annahme, die ihre Messungen bestätigten.
Zusätzlich testeten die Wissenschaftler, ob alternative Elektrolyte die Mangan-Auflösung verhindern könnten. Dazu nutzten sie ein speziell entwickeltes Elektrolytsystem namens LiTFSI MCP, das von Forschenden des Batterieforschungszentrums MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) der Universität Münster entwickelt wurde. Die MRT-Scans zeigten hierbei keine signifikante Signalsteigerung, was darauf hindeutet, dass die Mangan-Auflösung in diesem System tatsächlich unterdrückt wird.
MRT-Analyse: Neuer Schlüssel zur längeren Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien?
Die Methode eröffnet den Wissenschaftlern laut einer Mitteilung der Universität neue Perspektiven zur Analyse der Auflösung von Metallionen in verschiedensten elektrochemischen Systemen. Dies gilt insbesondere unter variierenden Bedingungen, wie etwa Änderungen der Elektrolytlösung, der Salzkonzentration, der Elektrodenmaterialien oder zusätzlicher Substanzen.
Das bildgebende Verfahren könnte somit einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung neuer Materialien für Lithium-Ionen-Batterien leisten, die den Alterungsprozess dieser Energiespeicher verlangsamen.
Die Forschungsergebnisse wurden im Februar 2025 in der Fachzeitschrift Communications Materials publiziert.
