Wissenschaftler haben möglicherweise eine Erklärung dafür, warum einige Batterien nicht lange halten

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien halten nicht für immer. Im Laufe der Zeit speichern sie weniger Ladung, verwandeln sich schließlich von Stromquellen in Ziegelsteine. Eine neue Studie legt nahe: Ein Grund dafür ist Wasserstoff, der unbemerkt austritt. Unerwünschte Wasserstoffprotonen füllen molekulare Plätze am positiven Ende der Batterie, sodass weniger Raum für geladene Lithiumatome oder -ionen bleibt, die Reaktivität aufrechterhalten und den Ladungstransport unterstützen, berichten Wissenschaftler am 12. September in Science. 

Die neue Forschung identifiziert eine Reihe unerwünschter chemischer Reaktionen, die auftreten, wenn das Elektrolyt der Batterie, das Lithiumionen transportieren soll, unabsichtlich Wasserstoff in das positive Ende oder die Kathode freisetzt. Dies "löst alle möglichen Probleme aus" und beeinträchtigt die Kapazität und Lebensdauer der Batterie, sagt Gang Wan, ein Materialphysiker und Chemiker an der Stanford University. 

"Selbst wenn Sie die Batterie nicht verwenden, verliert sie Energie." In einer Lithium-Ionen-Batterie (siehe Abbildung unten) speichern zwei Elektroden entgegengesetzter Ladungen, eine Anode und eine Kathode, Lithium-Ionen. Die Ionen bewegen sich von der Anode zur Kathode in einem Elektrolyten, der chemische Reaktionen auslöst, die Elektronen freisetzen, um eine Ladung aufzubauen. 

Der Elektrolyt soll nur Lithium-Ionen bewegen, aber Wasserstoffprotonen und Elektronen lösen sich von Molekülen im Elektrolyten und dringen in die äußeren Schichten der Kathode ein, was eine unerwünschte Reaktionenkaskade auslöst, die die Lebensdauer der Batterie verkürzt. Bisherige Erklärungen für Energieverluste in Batterien konzentrierten sich auf die Bewegung von Lithiumionen. 

Einige Forscher haben vermutet, dass auch Wasserstoffatome eine Rolle spielen könnten, aber es war schwierig zu beobachten, da Wasserstoff so klein und weit verbreitet ist. Deshalb haben Wan und seine Kollegen den Wasserstoff im Elektrolyten von zellenartigen Batterien gegen Deuterium ausgetauscht, eine schwerere Variante von Wasserstoff. Die Forscher verfolgten dann die Bewegung des Deuteriums mit hochauflösender Röntgenbildgebung und Massenspektrometrie. Anhand der Ergebnisse und theoretischer Berechnungen zeigte das Team, dass Wasserstoff der "dominierende" Akteur bei der Ladungsverlust der Kathode ist. 

Die Forschung erweitert unser Wissen über die undurchsichtige Chemie, die sich innerhalb von Batterien abspielt, was "wirklich signifikant" ist, sagt Bart Bartlett, ein Material- und anorganischer Chemiker an der University of Michigan in Ann Arbor, der nicht an der Studie beteiligt war. 

Sie deutet auf mögliche Wege für eine verbesserte Batterielebensdauer hin, wie die Anpassung der Batteriechemie, um Wasserstoffreaktionen zu vermeiden. Darüber hinaus hebt die Arbeit ein weniger beachtetes Problem bei der anhaltenden Entwicklung von Batterien mit immer höheren Spannungen hervor, während Ingenieure versuchen, in kleineren Zellen mehr Energie zu speichern. Höher spannungsführende Kathoden sind reaktiver und ziehen eher Wasserstoff an, sodass je höher die Batteriespannung ist, desto häufiger tritt diese "Protonierung" oder "Wasserstoffierung" auf. 

"Es ist ein Kompromiss, den wir glaube ich nicht vollständig zu schätzen wussten, oder nicht verstanden haben, warum", sagt Bartlett. Aber, so sagt er, die Wissenschaftler haben nur einen Batterietyp und ein Szenario bewertet. Weitere Forschung ist notwendig, um zu verstehen, wie breit die Ergebnisse anwendbar sind. Wenn sich die Beobachtungen des Teams als reproduzierbar erweisen, werden sie höchstwahrscheinlich zu verbesserten, langlebigeren Batterien führen, die Innovationen wie Elektrofahrzeuge mit einer längeren Reichweite vorantreiben, sagt Jacqueline Edge, eine Batterieforscherin und Ingenieurin am Imperial College London. 

Gleichzeitig würden Fortschritte bei der Batterielebensdauer den Bedarf an der Gewinnung der Mineralien minimieren, die in Batteriezellen wie Kobalt und natürlich Lithium enthalten sind, was negative Umwelt- und soziale Folgen hat. Es könnte ein doppelter Nachhaltigkeitserfolg sein, sagt sie.