Einfache Ursache, große Wirkung: Rätsel, weshalb sich Akkus selbst entladen, gelöst

Wissenschaftler finden heraus, warum sich Lithium-Ionen-Akkus mit der Zeit selbst entladen. Die Ursache ist überraschend simpel und das Problem einfach zu beseitigen. Die Bedeutung dieser Entdeckung für die Energiewende, die E-Mobilität und alle Geräte, die Akkus als Energieträger haben, ist enorm.

Forschern der Dalhousie University im kanadischen Halifax ist es gelungen, die Ursache für die Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus zu finden. Auslöser ist ein simples Bauteil der Batterien, das bisher niemand in Verdacht hatte. Es ist vermutlich leicht zu ersetzen und schon bald könnte ein Problem gelöst sein, das in seiner Bedeutung kaum zu überschätzen ist.

Lithium-Ionen-Akkus treiben nicht nur Elektroautos, Smartphones, Notebooks und viele andere Geräte an. Sie sind auch ein wichtiger Bestandteil der Energiewende, wie die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betont. Auch in Eigenheimen und Industriebetrieben würden Akkus bereits als dezentrale Puffer genutzt, um die Energie von Wind- oder Solaranlagen zu speichern, so das BAM. Zur Stabilisierung des Stromnetzes werde es zukünftig einen verstärkten Bedarf an solchen stationären Großspeichern geben.

„Eine kleine Sache“

Dafür müssen nicht nur Sicherheit und Langlebigkeit der Akkus verbessert, sondern auch der Energieverlust durch Selbstentladung reduziert werden. Dank der Entdeckung der kanadischen Forscher kann dieses Problem praktisch als gelöst angesehen werden. „Es ist eine kleine Sache, aber es kann definitiv dabei helfen, Akkus besser zu machen“, zitiert „Scinexx“ Michael Metzger, Seniorautor der Studie.

Schon länger hätten Wissenschaftler vermutet, dass sogenannte Redox-Shuttle an der Selbstentladung der Lithium-Ionen-Akkus schuld seien, schreibt das Wissenschaftsmagazin. Redox steht für Reduktion-Oxidation, was bedeutet, dass eine Oxidation rückgängig gemacht wird. Statt Elektronen abzugeben, werden also Elektronen aufgenommen. Redox-Shuttle dienen dem Batterieforum Deutschland zufolge eigentlich dazu, in Lithium-Ionen-Akkus gefährliche chemische Reaktionen durch Überladung zu verhindern.

Das für die Selbstentladung verantwortliche Redox-Shuttle werde an der Kathode der Batterie reduziert, wobei es ein Elektron aufnehme, schreibt „Scinexx“. Dann wandere es zur Anode, wo es wieder oxidiert werde, indem es das Elektron abgebe. „Für jedes Elektron, das auf diese Weise von der negativen zur positiven Elektrode transportiert wird, bewegt sich auch ein Lithium-Ion dorthin und verursacht so die Selbstentladung“, erklärt Studienleiter Sebastian Buechele.

Verräterische Verfärbung

Die entscheidenden Fragen, die sich die Wissenschaftler stellten, waren, um welches elektrochemisch aktive Molekül es sich handelt und was die Quelle dafür ist. Um dem Übeltäter auf die Spur zu kommen, untersuchten sie verschiedene Akkus, die unter anderem auch in Elektroautos, Smartphones oder Laptops zum Einsatz kommen.

Es stellte sich heraus, dass sich bei einer Erwärmung der Batterien, ihr normalerweise farbloser Elektrolyt immer stärker verfärbte. Bei mehr als 25 Grad wurde er „Scinexx“ zufolge leicht gelblich, dann orange und schließlich bei 70 Grad intensiv dunkelrot. Die Messungen der Forscher ließen gleichzeitig auf einen ablaufenden Redox-Prozess schließen. Durch chemische Analysen konnten Buechele und sein Team schließlich das verantwortliche Molekül identifizieren.

„Unseren Experimenten zufolge kommt nur Dimethyl-Terephthalat (DMT) als potenzielles Redox-Shuttle in den Elektrolyten infrage“, so die Wissenschaftler. Überraschenderweise handelt es sich dabei um die organische Verbindung, die Basis von Polyethylen-Terephthalat (PET) ist. Die Frage ist nur, wie ein Kunststoff, aus dem Plastikflaschen und viele andere alltägliche Gegenstände gefertigt werden, in die Akkus kommt.

Einfach nur das Klebeband wechseln

Teil der aktiven Batterie-Komponenten sei er nicht, schreibt „Scinexx“. Doch in gängigen Akku-Zellen werde Klebeband aus PET verwendet, um die eng aufgerollten Elektroden-Schichten zusammenzuhalten. „Das hätten wir nie erwartet, weil niemand auf diese inaktiven Komponenten achtet“, sagt Metzger. „Aber es ist die chemische Zersetzung dieses Klebebands, die das Redox-Shuttle-Molekül erzeugt.“

Dank dieses Wissens sei es jetzt möglich, das Problem der Selbstentladung zu beheben, so der Wissenschaftler. Und die Lösung ist denkbar einfach: „Ersetzt man das PET-Klebeband durch ein anderes, weniger anfälliges Material, entsteht auch kein entladendes DMT.“ Die Forscher stehen bereits in Kontakt zu Herstellern, die verständlicherweise großes Interesse an der Entdeckung haben.