Lithiumionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt

Lithiumionen-Akkus gelten gemeinhin als frei vom so genannten Memory-Effekt, nach dem sich unvollständige Lade- und Endladezyklen schnell auf die Leistung eines Stromspeichers auswirken. Allerdings zu Unrecht. Forschern vom Paul Scherrer Institut (PSI) und ihren Partnern vom Toyota-Forschungslabor in Japan ist es gelungen, bei einem weit verbreiteten Typ der Lithiumionen-Batterie doch einen Memory-Effekt nachzuweisen. Ihre konkreten Ergebnisse sind heute in der Fachzeitschrift 'Nature Materials' erschienen.

Die Wissenschaftler haben den Akku dafür zu 50 Prozent der Speicherkapazität geladen und anschließend vollständig entleert. Im darauffolgenden Zyklus macht sich dann der Memory-Effekt durch eine Überspannung bemerkbar - und zwar genau an der Stelle, an der der partielle Ladezyklus abgebrochen wurde.

Woher dieser Effekt kommt, lässt sich bei einer genaueren Betrachtung der beteiligten Teilchen sagen. Ihr chemisches Potenzial beim Laden steigt zunächst stetig, indem sie Lithiumionen abgeben. Haben sie einmal die Barriere des chemischen Potenzials erreicht, geben die Teilchen sehr rasch die verbleibenden Lithiumionen ab und sind dann komplett geladen.

Die Teilchen überschreiten aber nicht alle gleichzeitig die Barriere, sondern eins nach dem anderen. Nach partieller Ladung bleiben also einige Teilchen vor der Barriere zurück. Diese Teilchen "rutschen dann den Hang herab", wie es die Wissenschaftler beschreiben, um das thermodynamische Gleichgewicht wiederherzustellen. Nun ist eine Aufspaltung der Teilchen in Lithium-reich und Lithium-arm etabliert.

Diese Aufspaltung bleibt auch bestehen, nachdem die Batterie komplett entladen wird. Beim nächsten Ladezyklus wird erst die Gruppe der Lithium-ärmeren Teilchen über die Barriere gebracht. Um auch die zweite Gruppe der Lithium-reicheren Teilchen über die Barriere zu befördern, muss zusätzliche Arbeit geleistet werden. Dies drückt sich in einer Überspannung aus, die das Kennzeichen des Memory-Effektes bildet.

Bei Lithiumionen-Akkus ist der Memory-Effekt im Vergleich zu anderen Speichersystemen allerdings deutlich schwächer ausgebildet und hat daher bei den meisten Geräten, die mit Akkus betrieben werden, nur marginale Auswirkungen. Allerdings kann er viel größere Folgen haben, wenn es um Elektromobilität geht.

Insbesondere bei Hybridautos, bei deren normalem Betrieb sehr viele Zyklen partieller Ladungen und Entladungen stattfinden, würde der Effekt auftreten. In diesen Fahrzeugen wird die Batterie nämlich bei jedem Bremsvorgang durch den zum Generator verwandelten Motor aufgeladen. Entladen wird sie auch meist nur partiell, etwa um den Verbrennungsmotor in Beschleunigungsphasen zu unterstützen. Die vielen aufeinanderfolgenden Zyklen unvollständiger Ladung und Entladung können die Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte zu einem grossen Memory-Effekt zur Folge haben. Dies würde einen Fehler bei der Abschätzung des momentanen Ladezustandes der Batterie zur Folge haben, falls der Ladezustand von der entsprechenden Software anhand des aktuellen Wertes der Spannung berechnet wird.