Lebensdauer von Akkus lässt sich um über 50% verlängern

Ohne Lithium-Ionen-Akkus sähe unser Leben anders aus. Sie halten Geräte wie Smartphones, Laptops und E-Autos am Laufen. Zumindest so lange die Akkus Saft haben. Doch die nutzen sich mit der Zeit ab und ihre Ladekapazität sinkt. US-Forschende zeigen nun, dass sich mit einer einfachen Maßnahme die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus massiv verlängern lässt.

Wie das?

Für die Verlängerung sorgen können laut dem Team um Xiao Cui von der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory die Hersteller: Wenn sie die Batterien am Ende des Produktionsprozesses statt wie bisher mit niedriger Spannung mit ungewöhnlich hohen Stromstärken aufladen lässt sich die durchschnittliche Lebensdauer der Batterien um mehr als 50 Prozent erhöhen.

Weiterer Vorteil: Die Dauer der Erstaufladung wird verkürzt – von rund zehn Stunden auf nur rund 20 Minuten.

Was ändert sich durch die hohe Spannung?

Um zu verstehen, warum die höhere Spannung die Lebensdauer verlängert, muss man wissen, wie die Akkus funktionieren:

Das passiert im Innern von Batterien

Batterien enthalten positive und negative Elektroden. Wird eine Batterie aufgeladen, fließen Lithiumionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode. Beim Entladen wandern sie wieder zurück zur positiven. Durch diesen Elektronenfluss werden die Geräte, in denen sich die Akkus befinden, mit Strom versorgt. Doch jedes Mal, wenn die Batterie einen Lade-/Entladezyklus durchläuft, lagert sich ein Teil des Lithiums an der negativen Elektrode ab, was den Ladungsaustausch zunehmend behindert. Dadurch nimmt mit der Zeit die Lebensdauer der Batterien ab.

So gehen Hersteller gegen die Ablagerungen vor

Um der schwindenden Ladekapazität etwas entgegenzusetzen, laden die Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien noch in der Fabrik einmal auf. Formierung nennen Fachleute diesen Schritt. Dadurch entsteht in den Akkus ein sogenanntes Solid Elektrolyt Interface (SEI). Bei der ersten Ladung lagern sich rund neun Prozent des anfänglich in Akkus enthaltenen Lithiums in der SEI-Schicht ab. Diese fallen dann zwar für den weiteren Eletronenfluss aus, schirmen aber vor weiteren Ablagerungen ab. Dadurch soll der Akku länger leben.

Das bewirkt die hohe Spannung im Akku

Bislang gingen Fachleute davon aus, dass ein langsames Laden bei niedriger Spannung für den Akku am schonendsten sei. Die Experimente der US-Forschenden zeigten nun aber: Dem ist nicht so. Das Team formierte 186 frisch produzierte Lithium-Ionen-Akkus auf verschiedene Weisen. Als am positivsten für die Lebensdauer entpuppte sich eine Erstladung mit hoher Spannung. Zwar wirkt sich die auf den ersten Blick negativ aus, zahlt sich auf lange Sicht aber aus.

Konkret heißt das: Die hohe Spannung sorgt für eine deutlich dickere SEI-Schicht, in der rund 30 Prozent des Lithiums gebunden werden. Dadurch steht aber für weitere Auf- und Entladung weniger Lithium für die Reaktionen zur Verfügung, die die Ablagerungen fördern. Dadurch verlangsamt sich dieser Abnutzungsprozess, was laut dem Forschenden zu einer "bis zu 70-prozentigen Zunahme der Zyklenzahl" führt. Der größere Anfangsverlust des Lithiums werde dadurch wieder wettgemacht.

Die Studie ist im Fachjournal "Joule" erschienen.

Warum sich Akkus entladen, auch wenn sie nicht in Betrieb sind, erfährst du hier.