Haben Sie manchmal auch das Gefühl, dass der Akku vom Handy oder Laptop besonders schnell leer ist? Oft vergessen wir den Akku rechtzeitig aufzuladen oder unterschätzen, wie viel Strom die Geräte brauchen. Doch die eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus entladen sich mit der Zeit tatsächlich, auch wenn sie nicht in Gebrauch sind. Dieser ärgerliche Selbstentladungseffekt ist schon länger bekannt, jetzt hat ein Forschungsteam aus Kanada endlich die Ursache gefunden. Zu ihnen gehört der deutsche Physiker Michael Metzger von der Dalhousie University:
Ja, das war für uns eigentlich schon eine sehr große Überraschung.
Das Team fand heraus, dass ein einfaches Klebeband unsere Lithium-Ionen-Akkus schlechter macht. Ein Klebeband, das bisher niemand auf dem Schirm hatte – und ein Klebeband, wegen dem sich Akkus mit der Zeit selbst entladen, auch wenn sie gar nicht in Betrieb sind. Die Entdeckung könnte Akkus in Zukunft besser machen, aber der Reihe nach.
Die Suche nach einem Molekül
Der Physiker Michael Metzger forscht in Kanada an Batterien und versucht deren Lebensdauer zu verlängern. Die Forschenden machen viele Tests und schauen, wie sich die Akkus bei Temperaturveränderungen verhalten. Dabei verfärben sich die Lithium-Akkus immer wieder dunkelrot, wenn sie warm werden. Das war auffällig, sagt Michael Metzger:
Das war eigentlich so für uns ein Anzeichen, dass da eine neue chemische Spezies gebildet werden musste. Und so ging eigentlich diese ganze Detektivarbeit los. Also dann wollten wir rausfinden, was ist diese dieses Molekül, das die Elektrolyt-Flüssigkeit rot verfärbt.
Die Forschenden wissen also sehr früh, dass sie nach einem Molekül suchen müssen. Irgendein Molekül löst die Selbstentladung in der Batterie auf chemischer Ebene aus. Der dem zugrunde liegende elektrochemische Prozess wird auch als "Redox-Shuttle" bezeichnet.
Wanderung eines Moleküls zwischen den Batteriepolen
Ein sogenanntes Redox-Shuttle soll also die Ursache sein. Demnach sorgt irgendein Molekül für die Selbstentladung, indem es zwischen den beiden Polen des Akkus wandert – wie ein Shuttle, das immer wieder zwischen der Plus- und Minus-Elektrode des Akkus hin und her pendelt. Das Molekül transportiert dabei ein Elektron und schwächt so den Akku.
Doch welches Molekül ist der Übeltäter? Und wie kommt das Molekül überhaupt in den Akku? Das Forschungsteam macht viele chemische Tests. Am Ende führt die Detektivarbeit mit einem Massenspektrometer zur Lösung, erklärt Physiker Michael Metzger:
Man weiß natürlich, was man am Anfang reingetan hat, und das findet man auch. Aber man findet auch neue Spezies, die sich quasi in der Zelle bilden. Und da haben wir dieses Molekül, das man Dimethyl-Terephthalat nennt, gefunden oder kurz DMT.
Das Forschungsteam staunt über die Entdeckung – vor allem wegen der auffälligen Ringstruktur des Moleküls, schließlich haben die Forschenden nichts in die Batteriezellen hineingegeben, das so eine Struktur aufweist und es wäre auch sehr ungewöhnlich, wenn sich so etwas in der Zelle plötzlich selbst bilden würde, sagt Metzger. Wie also kommt das DMT-Molekül in die Batterie?
Auf den zweiten Blick wird klar, das Molekül sieht fast genauso aus wie der Kunststoff PET, der in Plastikflaschen und vielen anderen Plastikprodukten verwendet wird. Schnell wird klar: Das Molekül entsteht durch kleine Plastik-Klebebänder in der Batterie. In jeder Batteriezelle, die eine Elektroden-Struktur hat, wo also die positive und die negative Elektrode aufgewickelt und mehrfach aufeinander geschichtet werden, sind an den Seiten Klebebänder aus PET angebracht, um die Elektroden zusammenzuhalten, erklärt Metzger.
Suche nach Alternativen läuft bereits
Diese kleine Entdeckung betrifft letztlich alle Lithium-Ionen-Akkus, ob in Laptops, Smartphones oder E-Autos: Ein kleines Molekül aus Plastik-Klebebändern wandert zwischen den beiden Polen der Batterie und löst die Selbstentladung aus. Das Forschungsteam sucht natürlich schon nach Alternativen und ist optimistisch, in Zukunft auf die PET-Klebebänder verzichten zu können.
Wir machen momentan quasi so ein chemisches Screening von vielen verschiedenen Polymeren und wir untersuchen, wie stabil sind diese Polymere gegenüber diesen Radikalen, die in der Batterie Zelle gebildet werden? Und es sieht ganz gut aus, dass es da einige Kandidaten gibt, die man als alternative Polymere hernehmen kann.
Neue Klebebänder sollen das Problem lösen. Klar ist: Das Rätsel der Selbstentladung bei Lithium-Ionen-Akkus ist gelöst. Das Forschungsteam spricht bereits mit Akku-Herstellern und ist sich sicher, dass Akkus durch die Entdeckung in Zukunft besser werden.
