Normalerweise werden Batterien kontinuierlich geladen, das heißt, der Ladestrom fließt ohne Unterbrechung. Doch vielleicht ist das nicht optimal und führt zu vorschneller Alterung der Batteriezellen. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Berlin jedenfalls glaubt, dass gepulstes Laden besser ist.

Hochfrequent gepulster Strom soll die Alterungseffekte in Batteriezellen verringern, meint ein internationales Team unter der Leitung von Professor Philipp Adelhelm vom Helmholtz-Zentrum in Berlin in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und der Aalborg University in Dänemark. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Untersucht wurden kommerzielle Batteriezellen mit NMC532-Kathode (Nickel, Mangan und Cobalt im Verhältnis 5:3:2) und Graphit-Anode. Das Team lud die Batteriezellen konventionell mit Konstantstrom (CC) und mit schnell gepulstem Strom (PC) auf. Analysen nach mehreren Ladezyklen zeigten deutliche Unterschiede: Bei den CC-Proben war die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) an der Anode deutlich dicker, was die Speicherkapazität verringerte.

Außerdem fand das Team mehr Risse in der Struktur der NMC- und Graphitelektroden, was ebenfalls zum Kapazitätsverlust beitrug. Auf der Kathodenseite führte die CC-Ladung insbesondere zu veränderten Bindungslängen zwischen den Nickelatomen und den Sauerstoffatomen des Gitters. 

Beim gepulsten Laden kommt es jedoch auf die Frequenz der Strompulse an: Hochfrequente Pulse verlängern die Lebensdauer am stärksten. So verkraften die Zellen bis zu doppelt so viele Ladezyklen, bevor die Speicherkapazität unter 80 Prozent sinkt.

Mit gepulstem Strom bildet sich nach der Grafik eine dünnere SEI-Schicht, was dazu führt, dass sich die Lithium-Ionen im Graphit gleichmäßiger verteilen. Das verringert die mechanische Belastung und Rissbildung in den Graphitpartikeln, wodurch die Graphitanode länger stabil bleibt. Die gepulste Ladung unterdrückt zudem strukturelle Veränderungen in den NMC532-Kathodenmaterialien und geht mit geringeren Variationen in den Bindungslängen zwischen Stickstoff- und Sauerstoffatomen einher.

Das so genannte Solid Electrolyte Interface (SEI) gilt als eine der wichtigsten Ursachen für die Batteriealterung. Dabei bildet sich ein fester Belag auf den Elektroden durch die Reaktion des Elektrolyten (oft organische Carbonate wie Ethylencarbonat) mit der stark reduzierenden Anode oder der stark oxidierenden Kathode.

Diese Passivierungsschicht kann ganz unterschiedliche Eigenschaften haben. Welche, das hängt außer vom gewählten Elektrolyt auch von der Temperatur, dem Strom und der Spannung ab. Zum Teil ist die SEI-Bildung gewünscht, weil dadurch die Elektrolytzersetzung verringert wird. Allerdings sollte die SEI-Schicht möglichst dünn und möglichst stabil sein und Lithium-Ionen möglichst durchlassen.

Besonders gefürchtet sind Kapazitätsverluste durch die so genannte Exfoliation (das Abblättern) von Graphit. Das geschieht insbesondere, wenn "solvatisierte" Lithiumionen zwischen die Graphitschichten eindringen. Ein gutes SEI schützt den Graphit, indem die Solvathülle (also die Hülle aus Lösungsmittelmolekülen) beim Durchdringen der Schicht abgestreift wird, wie es in einer Doktorarbeit am Karlsruher Institut für Technologie zum Thema von Florian German heißt.

Unter dem Strich

Ein Forschungsteam am Berliner Helmholtz-Zentrum hat nun gezeigt, dass gepulster Strom bei bestimmten NMC532-Zellen zu weniger Batteriealterung führt. Ein interessantes Ergebnis, aber vermutlich gilt es zunächst nur für diese speziellen Batteriezellen. Bei den inzwischen meist eingesetzten NMC811-Zellen könnte es anders sein. Auch NMC532-Zellen mit anderen Elektrolyten (meist sind es zwei oder mehr Stoffe) oder Additiven könnten sich abweichend verhalten. Aber es lohnt sich wohl, das Thema im Auge zu behalten.