Batterien verlieren Lithium an den Stromkollektor

Jeder Lithium-Verlust verringert die Kapazität von Lithium-Batterien und verkürzt deren Lebensdauer. Jüngste Studien legten einen Lithium-Verlust am Stromkollektor während des Ladens nahe. Forschende der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Tong Li prüften diese Hypothese nun systematisch. Unterstützung erhielten sie vom Helmholtz-Institut Ulm und dem Karlsruher Institut für Technologie um Prof. Dr. Dominic Bresser. Mittels Atomsondentomografie wiesen sie die Einbindung von Lithium-Ionen in den Kupferstromkollektor nach. Dieser Verlust steigt mit der Zyklenzahl, selbst bei hochmodernen Batterietypen. „Diese Vorgänge zu verstehen, ist von großer Bedeutung für anodenfreie Batterien der Zukunft“, so Tong Li.

Analytische Herausforderung bei hochaktivem Lithium

Der Kupferstromkollektor ist eine dünne Folie. Sie dient als Träger für die Anode und leitet Elektronen ab. Bei Lithium-Metall-Batterien (LMBs) diffundiert Lithium beim Zyklieren in diese Kupferfolie. „Wo genau sich die Lithium-Ionen einlagern, war bislang aber unklar“, erklärt Tong Li. „Lithium in Kupfer ist schwer nachzuweisen, da es an analytischen Möglichkeiten mangelt, hochaktives und leichtes Lithium nachzuverfolgen.“

Atomsondentomografie zeigt Degradation im Subnanometerbereich

Das Team nutzte Atomsondentomografie für die Analytik. Diese Methode liefert präzise dreidimensionale Elementkarten im Subnanometerbereich. Die Analysen zeigten Lithium-Einlagerungen bereits nach dem ersten Zyklus. Die Ionen binden sich an Korngrenzen und Grenzflächen der Kupferfolie. Nach drei Zyklen wird die Kupferoberfläche nanokristallin und oxidiert. Die entstandenen Defekte binden Lithium und Sauerstoff unter der Oberfläche. Dies führt zur Zersetzung des Kupferstromkollektors.

Relevanz für zukünftige anodenfreie Batteriesysteme

„All diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie der Stromkollektor die Leistung von Lithium-Batterien der Zukunft beeinflusst“, erklärt Tong Li. LMBs und anodenfreie „Zero-Excess“-LMBs gelten als nächste Technologiegeneration für extrem hohe Energiedichten. Sie übertreffen klassische Lithium-Ionen-Systeme deutlich. „Bei Zero-Excess-LMBs geht man im Allgemeinen davon aus, dass Lithium nicht in den Kupferstromkollektor diffundiert oder mit ihm wechselwirkt“, so Tong Li. „In Diskussionen über den Leistungsabfall von LMBs wurde der Lithium-Verlust an den Kupferkollektor bislang weitgehend übersehen.“

Quelle

Ruhr-Universität Bochum (07/2026)