Effects of High-Temperature Preconditioning on Li Plating During Low-Temperature Cycling of the COTS LG Chem HG2 Cell

Raumfahrzeuge reisen durch Umgebungen, die für fast alles, was wir kennen, lebensfeindlich sind. In der tiefen Stille des Weltraums können die Temperaturen weit unter den Gefrierpunkt von Wasser sinken, und die Batterien, die diese Missionen antreiben, müssen dieser Kälte standhalten, ohne auszufallen. Seit Jahrzehnten verlassen sich Ingenieure auf maßgeschneiderte Batterien, die speziell für diese extremen Bedingungen entwickelt wurden. Eine praktischere und kostengünstigere Lösung ist jedoch entstanden: die Verwendung derselben hochwertigen Lithium-Ionen-Batterien, die in der Unterhaltungselektronik zu finden sind, bekannt als kommerzielle Standardzellen (Commercial Off-the-Shelf). Diese Batterien werden in Massenproduktion hergestellt, sind hochgradig konsistent und bieten eine beeindruckende Energiedichte. Doch sie haben einen Haken. Sie sind dafür ausgelegt, bei milden Temperaturen geladen zu werden, und wenn sie gezwungen werden, in der tiefen Kälte des Weltraums zu arbeiten, kann in ihnen ein gefährlicher chemischer Prozess ablaufen. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie in der Kälte geladen wird, können sich Lithium-Ionen an der Oberfläche der Negativelektrode festsetzen, anstatt in sie einzusinken. Dies erzeugt eine Schicht aus metallischem Lithium, ein Phänomen, das als Lithium-Plating bezeichnet wird. Dieser Aufbau ist nicht nur ein Zeichen von Verschleiß; er kann die Kapazität der Batterie dauerhaft schädigen und in schweren Fällen zu Sicherheitsrisiken wie Kurzschlüssen oder Bränden führen.

Ein Forscherteam setzte sich zum Ziel zu verstehen, wie man dieses gefährliche Plating in einer spezifischen, weit verbreiteten kommerziellen Batterie, der LG Chem HG2, verhindert, wenn sie den gefrierenden Bedingungen des Weltraums ausgesetzt ist. Sie konzentrierten sich auf eine einfache Frage: Spielt es eine Rolle, wie man eine Batterie behandelt, bevor sie kalt wird? Speziell wollten sie wissen, ob das wiederholte Aufwärmen und Laden der Batterie, bevor sie in die Kälte geschickt wird, sie resistenter gegen Plating machen würde, als sie einfach nur in der Wärme liegen zu lassen oder direkt in die Kälte zu schicken. Um die Antwort zu finden, kombinierten sie reale Experimente mit leistungsstarken Computersimulationen, die in der Lage sind, in die mikroskopische Struktur der Batterie hineinzublicken. Die Ergebnisse enthüllten eine überraschende Wahrheit darüber, wie der interne Zustand der Batterie und nicht nur ihr Oberflächenzustand ihr Überleben in der Kälte bestimmt.

Die Forscher testeten drei verschiedene Gruppen dieser kommerziellen Batterien, um zu sehen, wie sie sich bei minus 20 Grad Celsius verhalten würden. Die erste Gruppe durchlief eine „Vorbehandlungsphase“, in der sie zwei Wochen lang bei warmen 30 Grad Celsius wiederholt geladen und entladen wurde. Die zweite Gruppe wurde für denselben Zeitraum einfach in dieser warmen Temperatur gelagert, ohne geladen oder entladen zu werden. Die dritte Gruppe erhielt keinerlei spezielle Behandlung; sie wurden direkt von der Raumtemperatur in die Kälte gebracht, um getestet zu werden. Nach diesen ersten Schritten wurden alle Batterien demselben strengen Zyklustest bei minus 20 Grad Celsius unterzogen. Das Ziel war es, Anzeichen von Lithium-Plating zu beobachten, das sich oft durch spezifische Änderungen der Spannung der Batterie während der Entladung zeigt.

Die Ergebnisse waren klar und deutlich. Die Batterien, die in der Wärme gelagert oder direkt in die Kälte geschickt worden waren, zeigten starke Anzeichen von Lithium-Plating. Wenn diese Batterien entladen wurden, wiesen ihre Spannungskurven spezifische Plateaus auf, und die Analyse ihrer Spannungsänderungen deutete darauf hin, dass sich metallisches Lithium an der Anode gebildet hatte und nun wieder abgelöst wurde. Dies ist ein Zeichen von Degradation und potenzieller Gefahr. Im Gegensatz dazu zeigten die Batterien, die durch das Zyklieren bei der warmen Temperatur vorbehandelt worden waren, keinerlei solche Anzeichen. Sie funktionierten effizienter, behielten ihre Kapazität besser bei und zeigten keine Anzeichen des gefährlichen Lithium-Aufbaus. Die Daten legten nahe, dass der Akt des Ladens und Entladens der Batterie, während sie warm war, ihr Verhalten grundlegend veränderte und sie wesentlich widerstandsfähiger machte, wenn sie schließlich der Kälte ausgesetzt war.

Um zu verstehen, warum dies geschah, wandten sich die Forscher einem hochentwickelten Computermodell zu. Sie erstellten einen digitalen Zwilling der Batterie unter Verwendung detaillierter 3D-Bilder der mikroskopischen Struktur der Elektrode, die mit einem hochauflösenden Scanner aufgenommen wurden. Dies ermöglichte es ihnen, die Bewegung von Ionen und Elektronen im Inneren der Batterie mit extremer Präzision zu simulieren. Die Simulation verfolgte einen Schlüsselfaktor namens Überpotenzial, was im Wesentlichen der zusätzliche elektrische Druck ist, der benötigt wird, um die chemischen Reaktionen voranzutreiben. Wenn dieser Druck zu niedrig ist, werden sich die Lithium-Ionen als Metall an der Oberfläche ablagern, anstatt in die Elektrode einzudringen. Die Simulation bestätigte, dass die vorbehandelten Batterien einen höheren Widerstand gegen diesen Plating-Zustand aufwiesen als die anderen.

Die Studie ging dann tiefer, um die Ursache für diesen Unterschied zu finden. Man könnte annehmen, dass das warme Zyklieren die physikalische Beschichtung der Elektrode, bekannt als feste Elektrolyt-Grenzphase (Solid-Electrolyte Interphase), verändert und somit widerstandsfähiger gemacht hat. Die Simulation zeigte jedoch, dass die Dicke und Zusammensetzung dieser Beschichtung nicht die primären Treiber des Unterschieds waren. Stattdessen war der entscheidende Faktor der Ladezustand der Batterie – die Menge der gespeicherten Energie in ihr – in dem Moment, als sie in die Kälte eintrat. Die Batterien, die durch das Zyklieren vorbehandelt worden waren, endeten in einem anderen Ladezustand als die, die einfach nur gelagert oder unbehandelt worden waren. Als die vorbehandelten Batterien abgekühlt wurden, begannen sie ihren Kältekreislauf mit einem höheren Niveau an gespeicherter Energie. Dieser höhere Startpunkt bedeutete, dass die Lithium-Ionen während der ersten Ladung in der Kälte in der Lage waren, sich freier zu bewegen und korrekt in die Elektrode einzusickern, anstatt an der Oberfläche hängen zu bleiben. Die Batterien, die mit einem niedrigeren Ladezustand starteten, hatten mehr Schwierigkeiten, was die Bedingungen begünstigte, die zu Plating führten.

Die Forscher stellten auch fest, dass ihre Computermodelle zwar erklären konnten, warum die vorbehandelten Batterien in den ersten Zyklen besser abschnitten, aber nicht vollständig erklären konnten, warum die anderen Batterien im Laufe der Zeit weiter degradierten. Die Modelle zeigten, dass die Neigung zum Plating hätte stabilisiert werden sollen, doch die Experimente zeigten, dass der Schaden mit mehr Zyklen tatsächlich schlimmer wurde. Dies deutet darauf hin, dass, sobald das initiale Plating auftritt, es eine Kettenreaktion physikalischer Veränderungen auslöst – vielleicht Risse in der Schutzbeschichtung oder andere strukturelle Verschiebungen –, die die aktuellen Modelle noch nicht erfassen. Diese Lücke zwischen der Simulation und den realen Daten unterstreicht die Komplexität der Batteriemedien und die Notwendigkeit fortlaufender Forschung.

Letztendlich bietet diese Arbeit eine praktische Roadmap für den Einsatz kommerzieller Batterien im Weltraum. Sie zeigt, dass eine einfache Aufwärmroutine, die aus wiederholtem Laden und Entladen besteht, die Fähigkeit einer Batterie erheblich verbessern kann, in gefrierenden Temperaturen zu überleben. Indem die Ingenieure sicherstellen, dass die Batterie ihre Kältereise mit dem richtigen Ladezustand beginnt, können sie den gefährlichen Aufbau von metallischem Lithium vermeiden. Dieser Befund ist entscheidend für zukünftige Weltraummissionen, bei denen die Zuverlässigkeit der Energiesysteme eine Frage von Leben und Tod ist. Die Studie bestätigt, dass diese kommerziellen Zellen, obwohl sie ursprünglich nicht für die tiefe Kälte konzipiert wurden, mit der richtigen Vorbereitung dazu gebracht werden können, sicher und effektiv in einer der lebensfeindlichsten Umgebungen vorstellbar zu funktionieren.