E-Bike-Akkus verlieren mit der Zeit an Leistung. Ob Nutzungsverhalten, Temperatur oder Lagerung, irgendwann büßt fast jede Batterie an Kapazität ein. An der Technischen Hochschule Lübeck geht ein Forschungsprojekt nun der Frage nach, ob sich ein Teil dieser verlorenen Leistung wieder zurückholen lässt. Im Projekt ReCiBell untersucht Niklas Thom aus dem Wissenschaftszentrum EMLE, inwieweit eine Regeneration oder Reaktivierung von Batteriemodulen für Elektrofahrräder möglich ist.
Die Idee zum Projekt entstand laut Thom eher spontan. Mit der Nutzung von Batterien, die bereits an Kapazität verloren haben, beschäftigt sich der Mitarbeiter des Wissenschaftszentrums für Elektromobilität, Leistungselektronik und dezentrale Energieversorgung allerdings schon länger. Den Projektantrag für den Förderaufruf von EK.SH schrieb er nach eigenen Angaben innerhalb von zwei Wochen, mit Erfolg.
Ursprünglich stand zunächst ein Second-Life-Ansatz im Raum. Ausgediente E-Bike-Akkus sollten demnach etwa als stationäre Energiespeicher weiterverwendet werden. Dann stieß Thom auf eine Publikation der Stanford University, die einen anderen Weg aufzeigte. Im Mittelpunkt stand dort nicht die Weiterverwendung gealterter Batterien, sondern die Rückgewinnung beziehungsweise Reaktivierung eines Teils der verlorenen Kapazität.
Was im Inneren der Zelle passiert
Der Hintergrund ist die Bildung von inaktivem Lithium. In einer Lithium-Ionen-Batterie werden Lithiumionen normalerweise zwischen Anode und Kathode ausgetauscht. Es kann jedoch dazu kommen, dass sich metallisches Lithium ablagert. Diese Ablagerungen, sogenannte Dendriten, erscheinen in mikroskopischen Aufnahmen als feine, nadelartige Strukturen. Sie entstehen beim Laden und werden beim Entladen wieder abgebaut. Dieser Abbau verläuft aber nicht gleichmäßig. Grund dafür ist laut Thom, dass die Feldverteilung zwischen Anode und Kathode in einer Zelle nicht überall identisch ist. Manche Bereiche entladen sich schneller als andere. Dadurch bauen sich auch die Dendriten unregelmäßig ab, und Fragmente können zurückbleiben.
Tot geglaubtes Lithium als Ansatzpunkt
Genau diese Fragmente stehen im Zentrum der Untersuchungen. Sie befinden sich oft nur wenige Nanometer von der Anode entfernt im Elektrolyt. Theoretische Untersuchungen der Stanford University zeigen, dass diese Teilchen auf angelegte elektrische Felder reagieren. Bewegen sie sich wieder in Richtung Anode und berühren diese, spalten sie sich erneut in Lithiumionen und Elektronen auf. Damit stehen wieder mehr Teilchen für den Ladungsaustausch zur Verfügung und die Kapazität steigt. Im Labormaßstab wurde dieser Ansatz bereits erfolgreich untersucht, allerdings zunächst nur mit kleinen Münzzellen. Nach Angaben der TH Lübeck konnte im Labor gezeigt werden, dass sich bis zu 30 Prozent der ursprünglichen Kapazität wiederherstellen lassen.
Der Schritt aus dem Labor in die Praxis
Ob sich dieser Effekt auch in realen Anwendungen nutzen lässt, ist noch offen. Thom verweist darauf, dass ein funktionierender Ansatz im Labormaßstab nicht automatisch bedeutet, dass er sich auch kommerziell verwerten lässt. Genau an diesem Punkt setzt ReCiBell an. Im ersten Schritt geht es um den Übergang von der Münzzelle zur handelsüblichen Lithiumzelle. Danach rücken die Reihen- und Parallelschaltungen eines Fahrradakkus in den Fokus. In einer solchen Batterie befinden sich insgesamt 26 Einzelzellen, jeweils 13 davon sind in Reihe und zwei Stränge parallel geschaltet. Anders als im Labor mit einzelnen Zellen können in solchen verbundenen Systemen Ausgleichseffekte auftreten.
Lebensdauer von Batterien im Fokus
Für Thom liegt der Reiz des Projekts darin, einen theoretischen Ansatz Schritt für Schritt in einen realen Anwendungsfall zu überführen. Ziel von ReCiBell ist es, herauszufinden, ob die Lebensdauer von Batterien erhöht werden kann und wie hoch dieser Nutzen am Ende tatsächlich ist. Damit richtet sich der Blick nicht nur auf das Verhalten einzelner Zellen, sondern auf die Frage, ob sich ein im Labor erfolgreicher Effekt auf alltagstaugliche Batteriesysteme übertragen lässt. Die Antwort darauf könnte darüber entscheiden, ob aus einem vielversprechenden Forschungsansatz einmal eine praktikable Lösung für E-Bike-Batterien wird.
Bild oben: In seinem Projekt ReCiBell erforscht Niklas Thom in wie weit eine Regeneration oder Reaktivierung von Batteriemodulen für Elektrofahrräder möglich ist. Foto: TH Lübeck
