Laden und Entladen sind keine linearen Prozesse

Allerdings seien Laden und Entladen keine linearen Prozesse. Zunächst steige beim Laden das chemische Potenzial mit der fortschreitenden Abgabe von Lithium-Ionen. Dann aber erreichen die Partikel einen kritischen Wert des Lithium-Anteils (und des chemischen Potenzials). An diesem Punkt findet ein abrupter Übergang statt: Die Partikel geben ihre verbleibenden Lithium-Ionen sehr rasch ab, ohne dass sich dabei ihr chemisches Potenzial verändert. Und genau dieser Übergang erkläre, warum die Spannung der Batterie über einen großen Bereich praktisch unverändert bleibt.

Die Existenz dieser Potenzialbarriere soll nun zum Auftreten des Memory-Effekts führen. Haben die ersten Partikel die Potenzialbarriere überschritten und sind Lithium-leer geworden, kommt es zur Aufspaltung der Partikel-Population der Elektrode. Das heißt: Es gibt nun eine scharfe Trennung zwischen Lithium-armen und Lithium-reichen Partikeln. Wenn die Batterie nicht vollständig geladen wird, bleibt also eine bestimmte Anzahl Lithium-reicher Partikel übrig, die es nicht über die Barriere geschafft hat. Diese Partikel bleiben aber nicht lange am Rand der Barriere, denn dieser Zustand ist nicht stabil, sondern ihr chemisches Potenzial sinkt wieder. Selbst wenn die Batterie wieder entladen wird und alle Teilchen wieder vor der Barriere liegen, bleibt diese Aufspaltung in zwei Gruppen bestehen.

Beim nächsten Ladevorgang wird zuerst die erste Gruppe (Lithium-ärmere Partikel) über die Barriere gebracht, während die zweite Gruppe (Lithium-reiche Partikel) quasi "hinterherhinkt", so die Forscher. Damit die zweite Gruppe die Barriere erreicht, muss ihr chemisches Potenzial weiter erhöht werden, und genau das verursacht die den Memory-Effekt kennzeichnende Überspannung.

Warten zum richtigen Zeitpunkt hilft

Dabei spiele die Zeit, die zwischen Laden und Entladen eines Akkus verstreicht, eine wichtige Rolle für den Zustand des Akkus am Ende dieser Vorgänge. Laden und Entladen sind Prozesse, die das thermodynamische Gleichgewicht der Batterie aufheben, und durch eine Wartezeit kann sich dieses Gleichgewicht wieder einstellen. Die Forscher von PSI und Toyota fanden heraus, dass eine ausreichend lange Wartezeit den Memory-Effekt auslöschen kann, wenn man nach einem Zyklus bestehend aus partieller Ladung und anschließender vollständiger Entladung lange genug wartet. Wartet man hingegen vor der Entladung, bleibt der Effekt bestehen.

Forscher Novák räumt aber ein, dass der Effekt winzig ist: "Die relative Abweichung in der Spannung beträgt nur wenige Promille". Er geht davon aus, dass der Effekt durch eine intelligente Anpassung der Software im Akku-Management-System rechtzeitig festgestellt und berücksichtigt werden kann. Sollte das gelingen, stünde der Memory-Effekt dem sicheren Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos nicht im Wege.