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Paul Scherrer Institut: Lithium-Ionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt

Lithium-Ionen-Akkus wird nachgesagt, dass ihnen ein Memory-Effekt fehlt. Aber sie haben einen. Durch unvollständige Lade-/Entladezyklen sinkt mit der Zeit die Arbeitsspannung, was dazu führen kann, dass die gespeicherte Energie nur teilweise nutzbar ist.

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Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos
Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos (Bild: Regis Duvignau/Reuters)

Bei einem weit verbreiteten Typ von Lithium-Ionen-Akkus haben Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) und des Toyota-Forschungslabors in Japan einen Memory-Effekt entdeckt. Bislang wurde davon ausgegangen, dass bei Lithium-Ionen-Akkus der von anderen Akkutypen bekannte Effekt nicht auftritt. Die Arbeit der Forscher wird heute in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Inhalt:
  1. Paul Scherrer Institut: Lithium-Ionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt
  2. Laden und Entladen sind keine linearen Prozesse

Werden Akkus mit Memory-Effekt wiederholt aufgeladen, bevor sie vollständig entladen sind, sinkt die Arbeitsspannung der Batterie durch die unvollständigen Lade-/Entladezyklen mit der Zeit. Obwohl die Batterie noch Ladung hat, ist die Spannung, die sie liefert, irgendwann so niedrig, dass sie ihren Dienst nicht wie gewünscht verrichten kann. Konkret hat der Memory-Effekt zwei negative Folgen: Zum einen wird die nutzbare Speicherkapazität der Batterie reduziert. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, so dass Letzterer nicht mehr verlässlich anhand der Spannung bestimmt werden kann.

Seit langem bekannt ist der Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus. Bei den seit Anfang der 1990er Jahren erfolgreich vermarkteten Lithium-Ionen-Akkus wurde jedoch bisher die Existenz eines solchen Effekts ausgeschlossen.

Festgestellt haben die Forscher von PSI und Toyota den Memory-Effekt nun an einem der meistverbreiteten Materialien für die positive Elektrode von Lithium-Ionen-Akkus: Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Bei Lithium-Eisenphosphat bleibt die Spannung nämlich über einen großen Bereich des Ladezustands praktisch unverändert. Das bedeutet, dass bereits eine kleine anomale Abweichung der Arbeitsspannung als eine große Veränderung im Ladezustand missdeutet werden könnte. Oder mit anderen Worten: Wenn aus der Spannung auf den Ladezustand geschlossen wird, kann hier schon durch eine kleine Abweichung der Spannung ein großer Schätzfehler entstehen.

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Die Forscher um Petr Novak, Leiter der Sektion Elektrochemische Energiespeicherung des Paul Scherrer Instituts, halten ihre Entdeckung vor allem im Hinblick auf die zu erwartende Verbreitung von Lithium-Ionen-Akkus im Bereich der Elektromobilität für relevant. Insbesondere bei Hybridautos, die bei jedem Bremsvorgang ihre Akkus durch den zum Generator verwandelten Motor aufladen, könnten so extrem viele Ladezyklen entstehen und zu Problemen führen. Die vielen aufeinanderfolgenden Zyklen unvollständiger Ladung beziehungsweise Entladung können durch Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte einen großen Memory-Effekt zur Folge haben, wie die neue Arbeit der Forscher zeigt.

Potenzialbarriere als Ursache

Die Ursache für den Memory-Effekt liegt nach Ansicht der Wissenschaftler in der Art und Weise, wie das Laden beziehungsweise Entladen der Akkus auf der mikroskopischen Ebene vor sich geht. Das Elektrodenmaterial - in diesem Fall Lithium-Eisenphosphat(LiFePO4) - besteht aus einer sehr großen Zahl extrem kleiner Partikel, die nacheinander aufgeladen und entladen werden.

Das Laden schreitet Partikel für Partikel voran und besteht darin, dass die Teilchen Lithiumionen abgeben. Ein komplett geladenes Partikel ist demnach Lithium-leer und besteht nur noch aus Eisenphosphat (FePO4). Das Entladen wiederum besteht in der Wiederansammlung von Lithium-Atomen in den Elektrodenpartikeln, so dass aus Eisenphosphat (FePO4) wieder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) wird. Die Änderungen des Lithium-Anteils, die mit dem Laden beziehungsweise Entladen einhergehen, verursachen eine Änderung des chemischen Potenzials der einzelnen Partikel, was wiederum die Spannung der Akkus verändert.

Laden und Entladen sind keine linearen Prozesse 
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Lalalalala 18. Apr 2013

In den 4er iPhones kann man den Akku relativ problemlos selber wechseln. Wie das beim 5er...

brill 18. Apr 2013

Danke für den Hinweis! Ohne Deinen Hinweis oder genauere Kenntnis der unterschiedlichen...

iu3h45iuh456 17. Apr 2013

Ich hatte immer in Erinnerung (als Kopf-Memoryeffekt sozusagen), dass Li-Io Akkus einen...

Spaghetticode 17. Apr 2013

Das fällt mir auch bei Laptops auf. Neu kann man stundenlang ohne externe Stromquelle...

Lala Satalin... 16. Apr 2013

Nokia 3210 hatte einen LiPoly-Akku! An diesen hat sich nicht viel geändert, man hat heute...


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