Lithium-Ionen-Akku: Neue Formierungsmethode verlängert Lebensdauer um 50 % und verkürzt drastisch die Produktionszeit

Die Leistungsfähigkeit und die kalendarische Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus (LIB) werden, wie das SLAC National Accelerator Laboratory erläutert maßgeblich durch den sogenannten Formierungsladevorgang (Formation Charge), den ersten Ladezyklus, den eine neu gefertigte Zelle durchläuft, bestimmt. Dieser Prozess ist essenziell für die Ausbildung der Solid Electrolyte Interphase (SEI), einer passivierenden Schutzschicht auf der negativen Elektrode. Die SEI verhindert nachfolgende schädliche Nebenreaktionen, die den irreversiblen Lithiumverlust beschleunigen und damit die Degradation der Zelle vorantreiben.

Bisherige Fertigungsverfahren sahen vor, diesen initialen Ladevorgang mit geringen Stromstärken über einen Zeitraum von bis zu zehn Stunden zu absolvieren, um eine möglichst robuste SEI-Schicht zu gewährleisten und den anfänglichen Lithiumverbrauch zu minimieren. Dieses Vorgehen gilt jedoch als kostenintensiv und stellt einen erheblichen Zeitfaktor in der Batterieproduktion dar.

Ein Forschungsteam des SLAC-Stanford Battery Center, geleitet von Professor Will Chueh, in Kollaboration mit dem Toyota Research Institute (TRI), dem MIT und der University of Washington, untersuchte diesen kritischen Fertigungsschritt mittels wissenschaftlichem maschinellen Lernen (ML). Ziel war es, aus Dutzenden variabler Parameter die wichtigsten Faktoren für eine optimale Batterieleistung zu isolieren. Die Erkenntnisse wurden in der Studie Data-driven analysis of battery formation reveals the role of electrode utilization in extending cycle life im Fachjournal Joule veröffentlicht.

Die ML-Analyse identifizierte dabei die Stromstärke und die Temperatur als die zwei primären Stellgrößen. Die darauffolgenden Experimente an sogenannten Pouch Cells ergaben ein kontraintuitives Resultat: Die Durchführung der Formierungsladung mit ungewöhnlich hohen Stromstärken führte nicht zu einer schnelleren Degradation, sondern verlängerte die durchschnittliche Akku-Lebensdauer um 50 %.

Professor Chueh erläuterte die methodische Prämisse:

"Here, we didn’t just want to identify the best recipe for making a good battery; we wanted to understand how and why it works." (Hier wollten wir nicht nur das beste Rezept für die Herstellung einer guten Batterie identifizieren; wir wollten verstehen, wie und warum es funktioniert.)

Der Schlüsselmechanismus dieser Verbesserung liegt im erhöhten initialen Lithiumverlust. Während herkömmliche Niedrigstromverfahren etwa 9 % des Lithiums im ersten Zyklus für die SEI-Bildung verbrauchen, deaktivierte das Hochstromverfahren gezielt rund 30 % des anfänglichen Lithiumvorrats. Dieser signifikante Verlust im ersten Zyklus soll sich langfristig positiv auswirken.

Laut den Forschern bewirkt die höhere Deaktivierung von Lithium-Ionen die Freisetzung von zusätzlichem "Kopfraum" (headspace) in der positiven Elektrode. Dieser "Kopfraum" kompensiert effektiver den unvermeidlichen Lithiumverlust, der in nachfolgenden Lade-Entlade-Zyklen auftritt, und erlaubt der Elektrode, effizienter zu zirkulieren. Dies verlangsamt die Gesamtdegradation der Zelle.

Senior Research Scientist Steven Torrisi (TRI) hob die praktischen Implikationen hervor. Er stellte fest, dass die Batteriefertigung extrem kapital- und zeitintensiv sei, und betonte, die Ergebnisse demonstrierten einen

"generalizable approach for understanding and optimizing this crucial step in battery manufacturing" (verallgemeinerbaren Ansatz zum Verständnis und zur Optimierung dieses entscheidenden Schritts in der Batterieherstellung).

Dies deute darauf hin, dass die Methode zukünftig auch auf neue Zellchemien übertragen werden soll.

Die Implikationen dieser Forschung für die Industrie sind erheblich. Eine um 50 % längere Akku-Lebensdauer reduziert nicht nur die Wartungs- und Ersatzkosten für Endverbraucher, sondern verbessert auch die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugen (EVs) und stationären Speichern. Die drastische Beschleunigung des Formierungsprozesses von 10 Stunden auf 20 Minuten adressiert zudem einen kritischen Engpass in der Massenproduktion von Akkus.

Diese Methode betrifft primär den Fertigungsprozess und erfordert keine chemische Modifikation der Zelle. Sie soll daher relativ unkompliziert in bestehende und zukünftige Produktionslinien integrierbar sein. Für Anwender bedeutet dies, dass zukünftige Generationen von E-Fahrzeugen, E-Bikes und Laptops von langlebigeren Akkus profitieren könnten, sobald die Technologie in die Serienfertigung überführt wird.