Wie Akkus länger halten : Wirkungsvolle Pausen beim Laden

Eine Ladepause von drei Minuten kann beim Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien dazu beitragen, dass die Batterien länger eine hohe Ladekapazität erhalten. Das berichten Wissenschaftler aus Großbritannien und den USA nach einer detaillierten Untersuchung der physikalischen Vorgänge im Fachjournal „Nature Communications“. Dabei entdeckten sie außerdem, dass die Größe und Form der Grafitpartikel in der negativen Elektrode die Ablagerung von metallischem Lithium an und in der Elektrode beeinflussen.

Lithium-Ionen-Akkus und -Batterien sind mittlerweile sehr weit verbreitet und in vielen Elektrogeräten zu finden. Man findet sie in Notebooks, Laptops und Tablets, Smartphones und Handys, Digitalkameras, in Fernsteuerungen, Werkzeugen oder in Haushalts- und Gartengeräten. Zudem sind sie Hauptenergiequelle der Elektromobilität in E-Autos, E-Bikes, Pedelecs oder E-Scootern.

Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie lagern sich Lithium-Ionen zwischen den Grafitschichten der negativen Elektrode ein. Allerdings kann es auch zu metallischen Lithiumablagerungen an der Elektrode kommen – und zwar umso häufiger, je schneller die Batterie geladen wird. Dadurch stehen weniger Lithium-Ionen als Ladungsträger zur Verfügung.

Ablagerungen lösen sich auf

Die Porosität der Elektrode verringert sich und damit die Grenzfläche für die Einlagerung. Es können sich Verästelungen, sogenannte Dendriten, bilden, was zu einem internen Kurzschluss führen kann, schreibt die Gruppe um Xuekun Lu von der Londoner Queen Mary University. Für eine lange Lebensdauer einer Batterie sind deshalb solche Ablagerungen zu vermeiden.

Lu und Kollegen gingen den Vorgängen in der Elektrode mit einer speziellen Form der Mikroskopie und einem Computermodell auf den Grund. „Mithilfe eines bahnbrechenden 3D-Batteriemodells können wir erfassen, wann und wo die Lithiumablagerung beginnt und wie schnell sie wächst“, wird Lu in einer Mitteilung zitiert. Ihre Versuche ergaben zwar, dass sich die Ablagerungen nicht ganz vermeiden lassen. Aber sie entdeckten auch, dass die Ablagerungen sich zum Großteil wieder auflösen, wenn das Schnellladen für kurze Zeit unterbrochen wird.

Die Forscher ermittelten, dass für eine Elektrode mit einer Kapazität von zwei Milliamperestunden pro Quadratzentimeter und einer Ladezeit von 20 Minuten bei einem Ladestand von 45 Prozent eine dreiminütige Ladepause eingelegt werden sollte. Für eine Elektrode mit einer Kapazität von drei Milliamperestunden pro Quadratzentimeter liegt der optimale Pausenzeitpunkt bei 45 Prozent Ladestand (Ladezeit: eine Stunde), bei 30 Prozent (Ladezeit: 30 Minuten) oder bei 20 Prozent (Ladezeit: 20 Minuten).

Das Forscherteam fand zudem heraus, dass die Metallablagerungen vor allem an kleineren Grafitpartikeln und an den Ecken und Kanten größerer Partikel vorkommen. Deshalb halten die Forscher eine Optimierung der Gestalt der Grafitpartikel in der negativen Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie für bedeutsam.

Lu und sein Team sehen ihre Forschung als wichtigen Beitrag für die künftige Entwicklung der Elektrofahrzeuge an. „Schnellladefähigkeit, Reichweite und Sicherheit der Lithium-Ionen-Autobatterien sind die Hauptaspekte, die die breitere Markteinführung von Elektrofahrzeugen beeinflussen“, schreiben sie.