Akkutechnik: Warum sich Akkus nicht selbst entladen

Bislang mussten Additive in Lithium-Ionen-Akkus verhindern, dass sie sich selbst entladen. Nun wurde die Ursache des Phänomens gefunden.

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Die Färbung des Elektrolyts half bei der Ursachenfindung.
Die Färbung des Elektrolyts half bei der Ursachenfindung. (Bild: Buechele et al/CC-BY-SA 4.0)

Wenn Lithium-Ionen-Akkus für Forschungszwecke im Labor gebaut werden, funktionieren sie bei weitem nicht so gut wie kommerzielle Akkus. Der Grund ist, dass dort oft ein möglichst einfaches Elektrolyt aus einem Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel verwendet wird, während in kommerziellen Akkus eine üblicherweise geheim gehaltene Mischung aus Additiven zugesetzt wird. Die verhindern zum Beispiel, dass sich Akkus innerhalb von drei Wochen von allein komplett entladen.

Inhalt:
  1. Akkutechnik: Warum sich Akkus nicht selbst entladen
  2. Ein grüner Plastikstreifen sorgt für die Selbstentladung

Die Additive funktionieren, aber warum genau sie funktionieren und woher das Problem kommt, war nicht bekannt. Das ist einer der Unterschiede zwischen Forschungs- und Ingenieursarbeit: Im Ingenieurwesen reicht es aus zu wissen, dass etwas innerhalb bestimmter Parameter mit Sicherheit funktioniert, auch wenn der genaue Wirkmechanismus noch unbekannt ist. Der Mechanismus hinter der Selbstentladung konnte jetzt durch die Forschungsgruppe von Jeff Dahn an der Dalhousie University geklärt werden. Die Gruppe arbeitet zusammen mit Tesla an der Akkuentwicklung und hatte zuvor schon nach Wegen zur Verbesserung von Akkus gesucht, die mehr als 100 Jahre funktionieren sollen.

Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus Kathode, Anode, einem Separator und einem Elektrolyt. Die positiv geladenen Lithium-Ionen bewegen sich durch das Elektrolyt zwischen Kathode und Anode hin und her. Das Lithium folgt dabei den Elektronen, die den Umweg um den elektrisch nicht leitenden Separator nehmen müssen. Aber es kann auch im Akku zur ungewollten Bewegung von Ladungsträgern mit der falschen Ladung oder in die falsche Richtung im Elektrolyt kommen. Für sie ist der Separator durchlässig und der Akku wird entladen.

Das Problem entsteht erst im Akku

Bekannt war, dass sich ohne Additive ein solcher Stoff im Akku bildet und für eine Färbung des Elektrolyts sorgt. Aber bisher konnte der verantwortliche Stoff nicht gefunden werden. Vermutet wurde etwa, dass sich Metallionen aus der Kathode lösen könnten. Nach einer Reihe von Untersuchungen von Elektrolyt mit gebräuchlichen Additiven hat sich gezeigt, dass die gesuchten Stoffe erst beim Laden und Entladen des Akkus entstehen.

Weder die Additive allein führen zur Selbstentladung des Akkus noch absichtlich zugesetzte metallhaltige Verbindungen, die im Elektrolyt entstehen können. Mit ähnlichen Versuchen konnte auch eine Reihe anderer organischer Verbindungen ausgeschlossen werden, die in Akkus aus der Zersetzung des Elektrolyts entstehen können. Schließlich konzentrierte sich die Suche auf DMT, Dimethylterephthalat, das man in Spuren im Elektrolyt von Akkuzellen fand. Elektrolyt mit zugesetztem DMT zeigte in Kontakt mit Lithium die typische Färbung und den Entladungseffekt.

Aber nun musste noch geklärt werden, wie das DMT im Akku entsteht. Denn DMT gehört nicht zu den Additiven und eigentlich sollte kein Stoff, der beim Bau des Akkus verwendet wird, zur Bildung von DMT führen. Dabei half es, dass die Experimente nicht mit Zellen aus dem Labor unternommen, sondern kommerziell hergestellte Zellen vom chinesischen Hersteller Lifun gekauft wurden, die bei der Herstellung aber nicht mit Elektrolyt gefüllt wurden.

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Ein grüner Plastikstreifen sorgt für die Selbstentladung 
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