Weltweit nimmt die Zulassung von Elektrofahrzeugen weiter zu. Doch die Alterung der darin verbauten Akkus stellt die Industrie vor Herausforderungen. Ein internationales Forscherteam hat nun auf atomarer Ebene entschlüsselt, warum es zum Leistungsabfall von Batterien kommt. Dabei rückt ein Bauteil in den Fokus, das bislang als passives galt.
Im Juni 2026 waren Elektroautos in Deutschland erstmals die meistverkaufte Antriebsart bei den Pkw-Neuzulassungen. Obwohl die Fahrzeuge in der Praxis bereits mehrere hunderttausend Kilometer mit einem einzigen Akkusatz zurücklegen können, nimmt die Speicherkapazität mit der Zeit ab. Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum, des Helmholtz-Instituts Ulm und des Karlsruher Instituts für Technologie untersuchten diesen Alterungsprozess kürzlich genauer. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials.
Im Zentrum der Forschung stand der Stromkollektor von Batterien, der aus Kupferfolie besteht. Diesen betrachteten Ingenieure in der Vergangenheit lediglich als inerte Leiterbahn, also solch eine, die keine oder nur minimale chemische Reaktionen aufweist.
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Die neue Erkenntnis: Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen durch die Zelle, lagern sich jedoch bereits nach dem ersten Zyklus an den Grenzflächen der Kupferfolie an. Wie in winzigen mikroskopischen Fallen verfangen sich die Teilchen in Defekten, die durch mechanische Belastungen im Material entstehen. Infolgedessen verbleiben die Lithium-Ionen dauerhaft in der Folie und stehen nicht mehr für die Energiespeicherung zur Verfügung.
Wie der Leistungsabfall von Batterien auf atomarer Ebene entsteht
Die Wissenschaftler machten die strukturellen Schäden mithilfe der Atomsondentomografie sichtbar. Mit diesem Verfahren fertigten sie eine hauchdünne Materialspitze, die tausendfach dünner als ein menschliches Haar ist. Diese ermöglichte die Erstellung von dreidimensionalen Karten einzelner Atome.
Bereits nach drei Ladezyklen zeigten sich sichtbare Materialveränderungen in den obersten 100 Nanometern der Kupferfolie. Die Oberfläche kristallisierte und oxidierte. Nach acht Ladezyklen war eine signifikant höhere Menge an Lithium im Kupfer eingeschlossen als zu Beginn des Prozesses.
Neben Lithium dringen auch Sauerstoff und Kohlenstoff in das Metall ein. Insbesondere bindet der Sauerstoff weiteres Lithium an sich, was die Zersetzung des Stromkollektors verstärkt. Tong Li von der Ruhr-Universität Bochum hob die Tragweite der Entdeckung hervor:
Diese Vorgänge zu verstehen, ist von großer Bedeutung für anodenfreie Batterien der Zukunft. Wo genau sich die Lithium-Ionen einlagern, war bislang aber unklar. Lithium in Kupfer ist schwer nachzuweisen, da es an analytischen Möglichkeiten mangelt, hochaktives und leichtes Lithium nachzuverfolgen.
Neue Perspektiven für anodenfreie Energiespeicher
Besonders kritisch ist dieser Effekt für anodenfreie Systeme, sogenannte Zero-Excess-Batterien. Da diese Akkutypen mit extrem geringen Lithium-Reserven arbeiten, führt jeder Verlust direkt zu einer kürzeren Lebensdauer. Trotzdem haben genau diese Speichermedien das Potenzial für eine deutlich höhere Energiedichte.
Die neuen Erkenntnisse könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen aber deutlich steigern. Auch für die weltweite Speicherung von Strom aus Wind- und Solaranlagen spielt ein verlustfreies System eine entscheidende Rolle.
Obwohl die Studie noch keine sofort einsatzbereite Marktlösung bereithält, bildet das tiefere Verständnis ein Fundament für künftige Entwicklungen. Durch die gezielte Beschichtung der Kupferfolie, neuartige Materialmodifikationen oder angepasste Ladeverfahren lässt sich das Feststecken der Ionen künftig womöglich verhindern.
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