Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch komplexe Alterungsprozesse begrenzt, deren Ursachen analytisch oft schwer voneinander zu unterscheiden sind. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) konnten zeigen, dass die raumzeitliche Verteilung der beiden stabilen Lithium-Isotope (6Li und 7Li) in den Zellen wie ein chemischer „Fingerabdruck“ direkt mit spezifischen Degradationsmechanismen korreliert. Dieser methodische Ansatz eröffnet neue Perspektiven für das präzise Diagnostizieren von Alterungsabläufen und die gezielte Optimierung von Zellchemie und Elektrodenarchitektur.
Analytische Limitationen bei der Charakterisierung von Alterungsmechanismen
Obwohl Lithium-Ionen-Batterien eine Schlüsseltechnologie der Energiewende darstellen, schränken kontinuierliche Kapazitätsverluste und Leistungsabfälle im Zuge von Lade- und Entladezyklen ihre Nutzbarkeit ein. Bislang stellt die eindeutige Identifizierung und Differenzierung der zeitgleich ablaufenden, vielschichtigen Alterungsprozesse eine analytische Herausforderung dar. Herkömmliche Diagnoseverfahren erfassen Alterungseffekte meist nur phänomenologisch, liefern jedoch kaum orts- und zeitaufgelöste Informationen über die konkreten Auslöser und Kinetiken der Degradation.
Isotopenfraktionierung als diagnostischer Marker
Ein BAM-Forschungsteam um Carlos Abad und Beatrice Battistella nutzt die Isotopenverteilung innerhalb der Zelle als hochsensibles Diagnosewerkzeug. Der Ansatz basiert auf dem Masseunterschied zwischen natürlichem 6Li und 7Li (natürliche Häufigkeit ca. 7,5 % zu 92,5 %, entspricht einem Isotopenverhältnis von etwa 2,4 zu 97,6 %). Während in unbenutzten Zellen das Isotopenverhältnis dem natürlichen Standard entspricht, führt der Zellbetrieb zu einer verfahrensspezifischen Isotopenfraktionierung.
Tiefenprofilanalyse mittels hochauflösender Massenspektrometrie
In Modelluntersuchungen an Lithium-Zellen mit einer Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathode (NMC) und einer Graphitanode zeigte sich bereits nach den ersten Ladezyklen eine bevorzugte Anreicherung von 6Li an der Anode. Nach 280 Zyklen verstärkte sich diese Selektivität signifikant, während in der Kathode korrespondierend erhöhte 7Li-Gehalte gemessen wurden, was direkt mit dem Kapazitätsabfall korrelierte. Die schichtweise Bestimmung der Isotopenprofile über die gesamte Elektrodentiefe gelang in Kooperation mit Nu Instruments Ltd. (UK) und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) mittels hochauflösender Massenspektrometrie.
„Die Verteilung der Lithium-Isotope liefert damit direkte Informationen über Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Batterien. Die Isotope wirken wie natürliche Marker. Ihre Verteilung zeigt uns, wie sich Lithium während des Batteriebetriebs bewegt und an welchen Stellen Veränderungen auftreten“, so Beatrice Battistella.
Potentiale für die frühzeitige Degradationsdiagnostik
Die Messung der isotopischen Fraktionierung ermöglicht eine präzise Nachverfolgung von Transport- und Degradationsphänomenen: Statt Alterungseffekte erst über makroskopische Kapazitätsverluste zu registrieren, lassen sich schädigende Prozesse künftig frühzeitig über spezifische Isotopenmuster in der Zelle detektieren. Dies erlaubt ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen sowie fundiertere Lebensdauervorhersagen für die Entwicklung robusterer Batteriematerialien.
Quelle
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) (09/2026)