Zufallsentdeckung kann Lebensdauer von Batterien verlängern

6.2.2023 Forscher:innen an der Dalhousie- University in Halifay haben entdeckt, wie man die Selbstentladung von Batterien verhindern könnte

Kleines Teil, große Wirkung: Kommerzielle Batteriezellen enthalten Klebeband das die Elektroden zusammenhält und dessen chemische Zersetzung ein Molekül erzeugt, das zur Selbstentladung führt.

Es passiert im Großen wie im Kleinen: Beispielsweise wenn ein Laptop länger nicht verwendet wird oder wenn sie ein Elektroauto einige Wochen nicht benutzen: Die Batterien verlieren einen Teil ihrer Ladung, obwohl keine Nutzung erfolgt.

Dieses Phänomen, das Selbstentladung heißt, ist nicht nur für die Anwender ärgerlich. Seit einiger Zeit versuchten Wissenschaftler:innen und Industrie herauszufinden, warum Lithium-Ionen-Batteriezellen dazu neigen, mit der Zeit einen Teil ihrer Ladung zu verlieren.

Ein Forscher der Dalhousie University hat einen überraschend häufigen Übeltäter identifiziert, der, wenn er ersetzt wird, ein dauerhaftes Problem für die Branche lösen könnte.

„In kommerziellen Batteriezellen gibt es Klebeband das die Elektroden zusammenhält, und es gibt eine chemische Zersetzung dieses Klebebands, wodurch ein Molekül entsteht, das zur Selbstentladung führt“, sagt Michael Metzger, Assistenzprofessor am Herzberg-Dahn-Lehrstuhl der Universität, der im Fachbereich Physik tätig ist.

„In unserem Labor führen wir viele hochkomplexe Experimente durch, um Batterien zu verbessern, aber dieses Mal haben wir eine sehr einfache Sache entdeckt. Es ist wirklich eine sehr einfache Sache – sie steckt in jeder Plastikflasche und niemand hätte gedacht, dass dies einen so großen Einfluss darauf hat, wie Lithium-Ionen-Zellen degradieren.“

Eine vollends unerwartete Entdeckung

Dr. Metzger und seine Kollegen und Kolleginnen wollten verstehen, warum sich Lithium-Ionen-Batteriezellen selbst entladen. Im Rahmen ihrer Forschung öffneten sie mehrere Zellen, nachdem sie sie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt hatten. Sie waren fassungslos, als sie bemerkten, dass bei vielen Zellen die Elektrolytlösung in der Zelle hellrot war, etwas, was sie noch nie zuvor gesehen hatten.

Also begannen sie mit der Erforschung der Ursache, indem sie Zellen mit herkömmlicher Elektrolytlösung bei verschiedenen Temperaturen in Öfen platzierten. Desto wärmer die Zelle wurde, desto roter wurde die Lösung. Daraufhin untersuchten sie die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten und fanden heraus, dass sich das Polyethylenterephthalat oder PET im Klebeband zersetzt hatte und das Molekül bildet, das zur Selbstentladung führt. Das Molekül wird als Redox-Shuttle bezeichnet, weil es zur positiven Seite der Elektrode, dann zur negativen Seite und dann zurück zur positiven Seite wandern kann. Es pendelt also zwischen den Elektroden und erzeugt die Selbstentladung, genau wie Lithium es tun soll. Das Problem ist, dass dieses Shuttle-Molekül dies die ganze Zeit im Hintergrund tut, auch wenn sich kein Lithium bewegen soll, wenn die Batterie nicht benutzt wird.

„Das haben wir nie erwartet, weil sich niemand diese inaktiven Komponenten, wie Klebebänder und Plastikfolien in der Batteriezelle ansieht, aber es muss wirklich berücksichtigt werden, wenn man Nebenreaktionen in der Batteriezelle begrenzen will“, sagt Dr. Metzger über das Klebeband aus PET, einem sehr starken, leichten Kunststoff, der häufig für Verpackungen und Einweg-Flaschen verwendet wird.

Kommerziell relevant
Die Forscher stellten ihre Ergebnisse in zwei Artikeln (iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/acb10c /iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/acaf44) vor und weckten damit die Aufmerksamkeit von Schwergewichten in der Industrie, die nach Möglichkeiten sucht, die Leistung ihrer Batterien zu verbessern.

„Die Selbstentladung ist für sie eine superwichtige Kennzahl“, sagt Metzger. „Einer der Ingenieure aus diesem Bereich sagte: ‚Ich habe gehört, ihr habt herausgefunden, dass etwas mit PET-Klebeband nicht stimmt.' Also erklärte ich ihm, dass es diese Selbstentladung verursacht, und fragte ihn: ‚Was verwenden Sie in Ihren Zellen?' Er sagte: ‚PET-Klebeband.‘“

Die Informationen könnten zu einer Lösung führen, bei der das PET-Band durch ein stabileres Material ersetzt wird, das sich nicht zersetzt. „Es ist eine kommerziell relevante Entdeckung. Es ist eine kleine Sache, aber sie kann definitiv dazu beitragen, Batteriezellen zu verbessern“, sagt Metzger.