Warum explodieren Batterien von Elektrofahrzeugen schneller als bisher angenommen?

Lange Zeit ging man davon aus, dass Einkristallkathoden die Probleme mit der Batterielebensdauer lösen würden, da ihnen die inneren Verbindungsstellen (Korngrenzen) fehlen, an denen typischerweise Risse entstehen. Eine neue Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology, zeigt jedoch, dass einige Einkristalle bereits nach etwa 100 Lade-Entlade-Zyklen Risse von innen heraus aufweisen können.

Warum reicht Nickel nicht aus? Die meisten Hersteller von Elektrofahrzeugen setzen auf Kathoden mit hohem Nickelgehalt, da dies eine höhere Energiedichte und größere Reichweite ermöglicht. Das Problem tritt bei hohen Spannungen auf, wenn die Lithiumentfernung die Sauerstoffbindungen in der Struktur schwächt. Entstehen Risse, dringt der flüssige Elektrolyt ein und löst unerwünschte chemische Reaktionen aus. Diese Reaktionen reduzieren nicht nur die Kapazität, sondern erhöhen auch die Wärmeentwicklung und damit die Brandgefahr.

Das Forschungsteam um Dr. Jing Wang fand sogar heraus, dass das Problem nicht die Kristallfugen sind, sondern die ungleichmäßige Bewegung der Lithiumionen. Innerhalb eines einzelnen Kristallpartikels absorbieren manche Bereiche Lithium schneller als andere. Dies führt zu Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter.

– Die Oberfläche des Partikels verändert sich schnell, während der Kern hinterherhinkt.
– Wenn die Ausdehnung oder Kontraktion die Elastizitätsgrenze des Materials überschreitet, reißt der Kristall.
– Durch das Schnellladen werden diese Risiken erhöht, da die Lithium-Ionen gezwungen werden, sich noch schneller und ungleichmäßiger zu bewegen.

Obwohl die Industrie versucht, den Einsatz des teuren Kobalts zu reduzieren, haben Tests gezeigt, dass eine geringe Menge dieses Elements in Einkristallen tatsächlich hilfreich ist. Kobalt verbessert den Lithiumfluss und verringert die Bildung von Hochspannungszonen. Mangan hingegen verlangsamte in diesen Proben die Reaktionen und erhöhte die Rissbildung, obwohl es eine kostengünstigere und ethisch weniger problematische Alternative darstellt.

Wissenschaftler weisen nun darauf hin, dass die Zukunft von Batterien möglicherweise nicht in der Maximierung der Energie liegt, sondern in der Gewährleistung gleichmäßiger Reaktionen im gesamten Material. Der nächste Schritt besteht darin, diese Erkenntnisse von Laborpartikeln auf vollständige Batteriezellen zu übertragen, die den realen Fahrbedingungen standhalten müssen. Ziel ist es, zugängliche Elemente zu finden, die Nickel stabilisieren, ohne neue Formen interner Schäden zu verursachen.