Wissenschaft: Memory-Effekt auch bei Lithium-Ionen-Akkus

Wie in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials berichtet wird, ist auch bei Lithium-Ionen-Akkus ein Memory-Effekt vorhanden. Forscherteams aus der Schweiz und Japan haben den von anderen Akkus bereits bekannten Effekt nun auch bei Lithium-Ionen-Akkus nachgewiesen. Der Effekt sorgt dafür, dass die Arbeitsspannung des Akkumulators durch wiederholtes Aufladen gesenkt wird, wenn der Akku vorher nicht vollständig entladen wird. Dadurch ist die Spannung des Akkus mit der Zeit so niedrig, dass der Akku nicht mehr seine Funktion vollständig erfüllen kann, obwohl Ladung vorhanden wäre. Der Memory-Effekt reduziert die Speicherkapazität und verschiebt dadurch die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand, was zu Ungenauigkeiten bei der Anzeige des Ladezustands führt.

Diese Entdeckung ist besonders für das Thema Elektromobilität interessant, da hier bisher Lithium-Ionen-Akkus als Hauptenergiequelle verwendet werden. Bei Hybridautos, die bei jedem Bremsvorgang die Akkus wieder ein Stück weit laden, würden laut Forscherteam viele kleine Memory-Effekte entstehen, die einen großen Memory-Effekt zur Folge haben. Der Effekt wurde bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus entdeckt, welche die am häufigsten vorkommenden Lithium-Ionen-Akkus sind. Hier bleibt die Spannung über lange Zeit des Ladezustands fast unverändert. Somit kann eine kleine Abweichung der Spannung als große Veränderung im Ladezustand erscheinen. Die Ursache für den Effekt liege, nach Meinung der Wissenschaftler, an der Art, wie der Speichervorgang auf mikroskopischer Ebene abläuft.

Das Eisenphosphat besteht aus vielen extrem kleinen Partikeln, welche nacheinander aufgeladen, beziehungsweise entladen werden. Beim Laden werden Partikel für Partikel Lithium-Ionen abgegeben. Ein geladenes Teilchen ist Lithium-leer und besteht nur noch aus Eisenphosphat. Beim Entladen sammeln die Eisenphosphat-Partikel wieder ihre Lithium-Ionen ein. Durch das Laden und Entladen wird das chemische Potenzial verändert, was zu unterschiedlichen Spannungen im Akku führt. Laden und Entladen laufen allerdings nicht linear ab. Zunächst steigt beim Laden das chemische Potenzial, je mehr Lithium-Ionen abgegeben werden. Die Partikel erreichen ab einem bestimmten Punkt einen kritischen Wert bei ihrem chemischen Potenzial. Hier findet ein Übergang statt, bei dem die Eisenphosphat-Partikel sehr schnell die verbliebenen Lithium-Ionen abstoßen, ohne dass sich das chemische Potenzial verändert.

Dieser Übergang erkläre laut Wissenschaftlern, warum die Spannung im Lithium-Ionen-Akku über so lange Zeit quasi unverändert bleibe. Diese Potenzialbarriere soll Ursache für den Memory-Effekt bei Eisenphosphat-Akkus sein. Es kommt zu einer Aufspaltung bei teilentladenen Akkus, bei der die ersten Partikel bereits ihre Potenzialbarriere überschritten haben und keine Lithium-Ionen mehr aufweisen. Es kommt zu einer Trennung zwischen Lithium-armen und Lithium-reichen Partikeln, die, wenn nicht vollständig fertig geladen wird, getrennt bleiben. Die Partikel, die es nicht über die Potenzialbarriere geschafft haben, bleiben allerdings nicht lange an der Grenze, sondern ihr chemisches Potenzial sinkt wieder.

Diese Aufspaltung der Partikel soll nach dem kompletten Entladen bestehen bleiben, wenn nicht eine gewisse Zeit gewartet wird. Beim nächsten Laden wird zuerst die erste Gruppe mit Lithium-ärmeren Partikeln über die Potenzialbarriere gebracht, danach die Lithium-reicheren Partikel. Damit diese Partikel nun über die Potenzialbarriere kommen, muss eine, für den Memory-Effekt typische, Überspannung erzeugt werden. Durch eine entsprechende Wartezeit nach dem Entladen kann das Gleichgewicht in der Batterie wiederhergestellt werden. Der Effekt sei allerdings minimal und bewege sich im Promille-Bereich. Durch eine verbesserte Akku-Management-Software könne, laut Forschern, das Entstehen des Effektes beobachtet und die entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen werden.

Quelle: golem

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Wie ein Schweizer Forscherteam des Paul-Scherrer-Instituts zusammen mit Wissenschaftlern des Toyota-Forschungslabor in Japan festgestellt haben, weisen Lithium-Ionen-Akkus anscheinend doch einen Memory-Effekt auf. Der Effekt ist besonders von Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus bekannt, ist bei Lithium-Ionen-Akkus jedoch keineswegs so stark ausgeprägt.

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