Unsere neue Veröffentlichung: Wärmeentwicklung in LNMO-Batterien besser verstehen
Lithium-Ionen-Batterien sind das Herz moderner Technologien – von Elektroautos bis hin zu stationären Energiespeichern. Damit sie effizient, langlebig und sicher arbeiten, spielt ein Aspekt eine zentrale Rolle: die Wärmeentwicklung im Inneren der Zellen. Steigt die Temperatur zu stark an, verkürzt sich die Lebensdauer, Nebenreaktionen nehmen zu und im schlimmsten Fall droht ein „thermal runaway“.
In unserer aktuellen Publikation in der Fachzeitschrift Batteries haben wir untersucht, wie sich Wärme in Lithium-Ionen-Batterien mit LNMO-Kathoden (Lithium-Nickel-Mangan-Oxid) bildet. Dieses Material gilt als besonders vielversprechend, weil es eine hohe Energiedichte ermöglicht und – anders als viele herkömmliche Kathoden – komplett kobaltfrei ist.
Was war unser Ziel?
Bisher war nicht klar, welche Prozesse im Inneren von LNMO-Zellen für die Wärmeentwicklung verantwortlich sind. Wir wollten herausfinden, wie viel Wärme durch reversible Effekte (Entropieänderungen während des Ladezustands) und wie viel durch irreversible Effekte (elektrischer Widerstand) entsteht – und wie sich das je nach Ladezustand verändert.
Wie sind wir vorgegangen?
Wir haben mit einem potentiometrischen Verfahren die Entropie-Koeffizienten bestimmt.
Gleichzeitig haben wir den Widerstand der Zellen analysiert.
Anschließend haben wir die Ergebnisse durch kalorimetrische Messungen validiert, also direkt die entstehende Wärme gemessen.
Was haben wir herausgefunden?
Starker SoC-Einfluss: Die Wärmeentwicklung hängt stark vom Ladezustand (State of Charge, SoC) ab.
Unter 20 % SoC entstehen besonders ausgeprägte Wärmespitzen, die durch hohe Widerstände verursacht werden.
Während der Entladung überwiegen exotherme Effekte (Wärme wird freigesetzt).
Beim Laden treten vor allem endotherme Effekte auf (Wärme wird aufgenommen).
Diese Erkenntnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung spannend, sondern auch praktisch relevant: Batteriemanagementsysteme könnten so optimiert werden, dass kritische Ladebereiche vermieden oder die Ströme dort reduziert werden. Das trägt zu höherer Sicherheit und Effizienz bei.
Warum ist das wichtig?
Mit unserem Beitrag leisten wir einen Schritt in Richtung nachhaltiger und kobaltfreier Batterien. LNMO hat das Potenzial, herkömmliche Kathodenmaterialien zu ersetzen – unsere Ergebnisse helfen, die thermischen Herausforderungen besser zu verstehen und Lösungen für ein sicheres Batteriedesign zu entwickeln.
📄 Die vollständige Arbeit ist frei verfügbar unter: https://doi.org/10.3390/batteries11100357