Keine Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus mehr: Ein simples Klebeband ist Schuld
Lithium-Ionen-Akkus sind im Rahmen moderner Technik nicht mehr wegzudenken: Die kleinen Stromlieferanten versorgen Handys, Laptops und Elektroautos mit Energie. Sie weisen eine hohe Energiedichte bei relativ geringem Gewicht und hoher Haltbarkeit auf. Allerdings findet bei andauerndem Gebrauch ein schleichender Leistungsverlust mit steigenden Ladezyklen an. Außerdem können die Akkus sich im Laufe der Zeit entladen, wenn sie nicht im Gebrauch sind. Warum diese Entladung stattfindet war bisher unklar. Nun haben Forscher:innen das Rätsel allerdings gelöst.
Redox-Shuttle führt zur Selbstentladung
Schon seit längerer Zeit wird vermutet, dass ein sogenanntes Redox-Shuttle für die Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus verantwortlich ist. Es handelt sich dabei um ein elektrochemisch aktives Molekül, das an der Kathode des Akkus reduziert wird und im Rahmen dieses Prozesses ein Elektron aufnimmt. Anschließend wandert es zur Anode, wo es unter Elektronenabgabe wieder oxidiert wird. „Für jedes Elektron, das auf diese Weise von der negativen zur positiven Elektrode transportiert wird, bewegt sich auch ein Lithium-Ion dorthin und verursacht so die Selbstentladung„, erklärt das Team rund um Sebastian Buechele von der Dalhousie University im kanadischen Halifax.
Um zu klären, welches Molekül hinter dem Redox-Shuttle steckt und woher es kommt, haben die Forscher:innen verschiedene Lithium-Ione-Akkus untersucht, darunter auch Akkus aus Elektroautos, Laptops und anderen Mobilgeräten. Sie setzten die Akkus verschiedenen Temperaturen aus, bauten sie auseinander und prüften ihre chemische Zusammensetzung.
Sie fanden heraus, dass der normalerweise farblose Elektrolyt in den Akkus sich bei einer Temperatur von mehr als 25 Grad leicht gelblich verfärbte, dann orange wurde und bei 70 Grad schließlich eine intensiv dunkelrote Farbe annimmt. Elektrochemische Messungen zeigten außerdem Hinweise auf einen aktiven Redox-Prozess in den Akkus. Durch chemische Analysen, bei denen unter anderem die Gaschromatografie-Massenspektrometrie zum Einsatz kam, konnten die Forscher:innen das hierfür verantwortliche Molekül schließlich identifizieren.
Simples Klebeband mit großer Wirkung
„Unseren Experimenten zufolge kommt nur Dimethyl-Terephthalat (DMT) als potenzielles Redox-Shuttle in den Elektrolyten in Frage„, so die Wissenschaftler:innen. Dabei handelt es sich um eine organische Verbindung mit einem Benzolring – und die Grundeinheit des Kunststoffes PET (Polyethylen-Terephthalat). Bei dem Shuttlemolekül handelt es sich also um eine Komponente eines Alltagskunststoffes, der etwa für Plastikflaschen verwendet wird.
Die Suche nach der Quelle des DMT in den Akkus stellte die Forscher:innen vorerst vor Rätsel. Das Molekül ist kein Teil der aktiven Akku-Komponenten. Allerdings wird in gängigen Batteriezellen ein Klebeband verwendet, das die eng aufgerollten Elektrodenschichten zusammenhält. Dieses Klebeband besteht aus PET. „Das hätten wir nie erwartet, weil niemand auf diese inaktiven Komponenten achtet. Aber es ist die chemische Zersetzung dieses Klebebands, die das Redox-Shuttle-Molekül erzeugt„, so Seniorautor Michael Metzger von der Dalhousie University.
Schluss mit Selbstentladung
Das Phänomen der Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus ist also auf ein simples Klebeband zurückzuführen. Wenn die Batterie sich ein wenig erwärmt, kommt es zu chemischen Reaktionen, die den Kunststoff angreifen und in seine Grundeinheiten zerlegen. Dabei wird auch Dimethyl-Terephthalat frei, das als elektrochemisches Shuttle fungiert, das dann nach und nach zur Entladung des Akkus führt.
Diese Entdeckung hat durchaus eine kommerzielle Bedeutung. Denn indem das PET-Klebeband durch ein anderes, weniger anfälliges Material ersetzt wird, lässt sich dieses Phänomen verhindern. „Es ist eine kleine Sache, aber es kann definitiv dabei helfen, Akkus besser zu machen„, so die Forscher:innen, die bereits in Kontakt zu Akkuherstellern stehen.
„Die Selbstentladung ist ein wichtiges Thema für sie. Einer der Ingenieure sagte zu mir: Ich habe gehört, dass ihr Jungs ein Problem mit dem PET-Klebeband entdeckt habt‘. Ich erklärte ihm daraufhin, dass dies die Ursache für die Selbstentladung ist, und fragte ihn, was sie in ihren Akkuzellen nutzen. Die Antwort war: PET-Band„, so Metzger.
