Batterien werden durch Pausen langlebiger

Nicht wieder aufladbare Lithiumbatterien gelten als Hoffnungsträger. Durch sie könnten elektrisch angetriebene Fahrzeuge eine Reichweite von bis zu 1100 Kilometern erhalten. Doch sie haben einen erheblichen Nachteil: Im Gegensatz zu den aktuell verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus verlieren Lithiumbatterien schnell ihre Speicherkapazität, weshalb sie unter anderem als einmalig nutzbare Knopfzellen in Uhren verbaut werden. Nun aber haben Forschende um den Materialwissenschaftler Wenbo Zhang von der Stanford University eine Möglichkeit gefunden, Lithiumbatterien mehrmals aufladen zu können: Man muss ihnen nur ein wenig Pause gönnen. Ihre Ergebnisse beschreiben sie in einer am 7. Feburar 2024 veröffentlichten Studie bei «Nature». «Wir suchten nach dem einfachsten, günstigsten und schnellsten Weg, um die Lebensdauer von Lithiumbatterien zu verbessern», sagte Zhang in einer Pressemitteilung.

In Lithiumbatterien enthält nicht nur die Kathode Lithiumionen, sondern auch die Anode, die in Lithium-Ionen-Batterien aus Kohlenstoff besteht. Damit sind Lithiumbatterien leichter und können etwa doppelt so viel Energie speichern wie Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings nutzen sich die Lithiumbatterien nach wenigen Ladezyklen ab: Ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, schwindet schnell. Grund dafür ist, dass Bereiche mit metallischem Lithium von Zerfallsprodukten des Elektrolyten umschlossen werden. Damit werden die Teilchen von der Umgebung abgeschnitten und können keine Energie mehr aufnehmen. «Aus diesem Grund betrachten wir isoliertes Lithium als tot», erklärt Zhang.

In vergangenen Experimenten hatte die Forschungsgruppe jedoch bemerkt, dass sich die Zerfallsprodukte des Elektrolyten in vollständig entladenen Batterien abbauen. Deshalb haben sie beschlossen, zu untersuchen, was in diesen Fällen genau passiert. «Wir haben festgestellt, dass sich ein Teil der Zerfallsprodukte, die das tote Lithium umgeben, auflösen, wenn die Batterie nur eine Stunde lang im entladenen Zustand ruht», sagte der Chemiker Philaphon Sayavong, der ebenfalls an der «Nature»-Studie beteiligt war, in einer Pressemitteilung. «Wenn man die Batterie also wieder auflädt, verbindet sich das tote Lithium wieder mit der Anode.»

Das markiert einen wichtigen Fortschritt in der Batterieforschung. Bislang hatten Fachleute angenommen, dass sich das isolierte Lithium nicht mehr zurückgewinnen lässt. Zudem galt das Ruhen einer entladenen Batterie als schädlich – und nun stellt sich heraus, dass genau das eine Nutzung als Akku ermöglichen könnte. Die Autorinnen und Autoren der Studie betonen, dass sich ihre Erkenntnisse einfach in der Praxis umsetzen liessen. Elektroautos bestehen typischerweise aus tausenden einzelnen Batteriezellen; man müsste also das Gesamtmodul programmieren, damit eine vollständig entladene Zelle erst nach einer Stunde wieder Strom erhält.

Bis zu einer tatsächlichen Anwendung ist es allerdings noch ein weiter Weg, schreibt die Forscherin Laura C. Merrill in einem begleitenden Artikel bei «Nature». Die neue Studie trage zwar zum Verständnis von Lithiumbatterien bei, aber es gebe weiterhin viele Wissenslücken. Zum Beispiel sei es zu früh, um zu sagen, ob das von Zhang und seinem Team vorgeschlagene Protokoll auf Verbraucheranwendungen übertragbar ist, bei denen die Anzahl der Ladezyklen und die Ruhezeit variieren.

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