Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien hat Jahrzehnte gedauert, und erst Jahrzehnte später erkennen wir ihr volles Potenzial. Heute treiben Lithium-Ionen-Batterien Mobiltelefone, Laptops, medizinische Geräte und Elektrofahrzeuge auf der ganzen Welt an. Lithium-Ionen-Batterien unterstützen auch erneuerbare Energien, da sie Energie aus intermittierenden Quellen wie Wind- und Sonnenenergie speichern können. Während ihrer Entwicklung stellten Lithium-Ionen-Batterien die Wissenschaftler:innen vor die Herausforderung, die Batterieleistung zu maximieren und gleichzeitig das Risiko unerwünschter Reaktionen zu verringern. Die Batterieforscher:innen von heute müssen auf früheren Entdeckungen aufbauen und gleichzeitig die Batterieeigenschaften verbessern, die den Fortschritt in führenden Anwendungsbereichen vorantreiben werden.

Aufgrund der Bedeutung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie wurde der Nobelpreis für Chemie 2019 an die Wissenschaftler John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie verliehen. Jeder Wissenschaftler trug mit seinen Entdeckungen dazu bei, die Lithium-Ionen-Batterien weiterzuentwickeln, bis sie zu der weit verbreiteten Form wurden, die wir heute kennen. Sie begannen mit dem Element Lithium (Ordnungszahl 3), dass ein ungepaartes Elektron besitzt und dazu neigt, es zu verlieren und zu einem positiv geladenen Ion zu werden. Diese Tendenz, ein Elektron zu verlieren, bietet ein großes Potenzial für Batterieanwendungen und ermöglicht den Stromfluss durch eine Batteriezelle von der Anode zur Kathode. Die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen ist auch ideal für kleine, tragbare Geräte wie Handys und Laptops.  Zudem bewegen sich die Lithium-Ionen während des Ladevorgangs leicht zurück zur Anode, um das Wiederaufladen zu erleichtern. Die Preisträger haben die Vorteile von Lithium-Ionen erfolgreich eingesetzt und Pionierarbeit geleistet, um ihre Leistung zu nutzen, und gleichzeitig die Flüchtigkeit des Materials zu kontrollieren. 

Wittingam stellte Mitte der 1970er Jahre erstmals einen Prototyp unserer modernen Lithium-Ionen-Batterie fertig, als er Titandisulfid als Kathode entdeckte. Wittinghams Batterie lieferte beeindruckende 2 Volt, neigte aber dazu, spontan Feuer zu fangen. In den 1980er Jahren ersetzte Goodenough Titandisulfid durch Lithium-Kobalt-Oxid und verdoppelte damit die Kapazität der Batterie auf 4 Volt, obwohl es weiterhin Probleme mit der Entflammbarkeit gab. Später in den 80er Jahren ersetzte Yoshino die Lithium-Metall-Anode durch Petrolkoks, was die Hochspannung aufrechterhielt und die Batterie viel sicherer machte.  

Die aus ihren Entdeckungen resultierende Lithium-Ionen-Batterie ist leicht, wiederaufladbar und sehr leistungsstark. Ihre Batterie hat unsere Welt der mobilen Elektronik, der Elektroautos und -fahrräder erst möglich gemacht. Wie die Mitglieder des Nobelkomitees anmerken, ist der wissenschaftliche Fortschritt natürlich nie abgeschlossen. Die Forscher:innen arbeiten weiter an der Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, und bald könnten andere Batterien den Lithium-Ionen-Batterien bei der Umstellung auf wiederaufladbare, erneuerbare Energie folgen.  

Heutige Batterieentwickler:innen haben immer noch die Aufgabe, ein Gleichgewicht zwischen Sicherheit und Leistung zu finden, wie die drei oben genannten Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie. Durch die Art und Weise, wie wir Batterien verwenden, sind jedoch andere Faktoren in den Mittelpunkt gerückt.  

Für die Hersteller:innen von Unterhaltungselektronik ist vor allem die Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterien von Bedeutung, d. h. wie viel Energie sie in einer leichten Form speichern können. Die Hersteller:innen von Mobiltelefonen und Laptops sind ständig auf der Suche nach neuen Akkus, die mehr Ladung aufnehmen können und gleichzeitig leichte, tragbare Produkte ermöglichen. Sie legen auch Wert auf die Akkulaufzeit, damit die Verbraucher:innen die Geräte länger mit einer einzigen Ladung nutzen können. 

Bei Elektrofahrzeugen ist vor allem die Laufzeit wichtig: Wenn ein Elektroauto häufiger aufgeladen werden muss als sein Benzin-Pendant, dann ist es für die Verbraucher:innen keine attraktive Investition. Darüber hinaus benötigen Elektrobusse, Lastkraftwagen und die Luftfahrt noch längere Laufzeiten. Elektrofahrzeuge benötigen außerdem eine robuste Lebensdauer, damit ihre Lithium-Ionen-Batterien sehr oft aufgeladen werden können, bevor sie an Kapazität verlieren. 

Lithium-Ionen-Batterien werden zunehmend für die Speicherung von grüner Energie eingesetzt. In dieser Eigenschaft müssen Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Zykluslebensdauer aufweisen, um ihre Wirkung zu maximieren. Diese Batterien müssen nicht tragbar sein, da sie in der Nähe der Energieerzeugung verbleiben und keine langen Laufzeiten benötigen, da sie häufig durch Wind- und Sonnenenergie aufgeladen werden. 

In allen Anwendungsbereichen müssen Lithium-Ionen-Batterien sicher sein. Ganz gleich, ob sie in einem Lagerhaus Energie aus Windturbinen speichern oder Ihr Elektrofahrzeug mit Strom versorgen, sie dürfen weder unsere Umwelt noch die Nutzer durch ihre hohe Entflammbarkeit gefährden. 

Die Wissenschaftler:innen, die sich mit Lithium-Ionen-Batterien beschäftigen, müssen immer mehr Anforderungen erfüllen, und eine bloße Wiederholung vergangener Erfolge wird nicht ausreichen. Neue Batterien müssen die bisherigen Fähigkeiten übertreffen und gleichzeitig die Leistung und Sicherheit verbessern.  

Die größte Gefahr für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ist Hitze. Eine Überhitzung von Batteriekomponenten, sei es durch hohe Umgebungstemperaturen oder interne elektrochemische Reaktionen, kann zu thermischen Durchbruchsreaktionen führen und katastrophale Ausfälle oder Verbrennungen verursachen. Daher wenden sich Batterieforscher:innen der thermischen Analyse zu, um die Batterieleistung in einem breiten Temperaturbereich zu messen. Die Daten aus der thermischen Analyse ermöglichen eine fundierte Materialauswahl, Konstruktion oder Modifizierung von Zusatzstoffen für die sicherste Konfiguration.  

Weitere gängige Materialanalysegeräte für Lithium-Ionen-Batterien sind Rheometer und Mikrokalorimeter. Rheologie ist die Wissenschaft des Fließverhaltens und der Verformung von Materialien. Rheometer helfen Wissenschaftler:innen bei der Herstellung von Aufschlämmungen und Elektrodenbeschichtungen mit idealen Viskositäten für optimale Lagerung, Mischung, Beschichtung und Trocknung. Die Mikrokalorimetrie misst die kleinste Wärme, die bei einem elektrochemischen oder physikochemischen Prozess entsteht. Mikrokalorimeter helfen Batterieentwickler:innen bei der Optimierung des Wärmemanagements, der Strukturentwicklung und der Isolierung von Wärme aus parasitären Reaktionen.  

Besuchen Sie die Batterie-Seite von TA Instruments, um mehr über diese Analyseverfahren zu erfahren und wie diese Analyseverfahren die Batterieforschung voranbringen. Wenden Sie sich gerne an uns, wenn Sie Fragen zur Batterieanalyse haben, oder wissen möchten, wie diese Instrumente Ihre Forschung unterstützen können. Unsere Expert:innen stehen Ihnen gerne zur Verfügung!