Auf dem Weg zum besseren Akku: Wissenschaftler haben eine neue Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die eine hohe Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm mit guter Stabilität verbindet. Anders als bei vielen bisherigen Formen dieser Batterien sorgt eine spezielle Kombination aus Kathode und neuartigem Elektrolyt für verbesserte Haltbarkeit. Die Batterie verliert dadurch auch über 1.000 Ladezyklen nur wenig Speicherkapazität, wie das Forschungsteam im Fachmagazin „Joule“ berichtet.
Lithium-Ionen-Akkus sind zwar die „Arbeitspferde“ der modernen Technik, aber für besonders energiehungrige Anwendungen wie die Elektromobilität sind sie nur bedingt geeignet. Denn ihre Energiedichte reicht nicht aus, um E-Autos signifikant mehr Reichweite und ein geringeres Gewicht zu verleihen. Als eine mögliche Alternative gelten daher Lithium-Metall-Batterien. Diese Akkus mit einer Anode aus metallischem Lithium statt Graphit haben eine doppelt so hohe Energiedichte.
Das Problem jedoch: Lithium-Metall-Batterien sind bisher kaum wiederaufladbar. Schon nach wenigen Ladezyklen lagert sich metallisches Lithium in Form von nadelartigen Spitzen an der Anode ab. Abbrechende Lithiumstücke können zudem inaktive Blockaden im Elektrolyten bilden, parallel dazu bilden sich Ablagerungen, die Löcher in den Separator reißen. Ansätze, um dies zu verhindern, sind spezielle Schutzschichten für den Separator, eine Dotierung der nickelreichen Kathode, aber auch die Verwendung neuartiger Elektrolyte.
Energiedicht, aber fragil
Eine Kombination dieser Lösungen haben nun Fanglin Wu vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU) und seine Kollegen entwickelt. Für ihre neue Lithium-Metall-Batterie verwendeten sie eine kobaltarme nickelreiche Schichtkathode (NCM88) und eine Dünnfilm-Anode aus metallischem Lithium. Diese Kombination erreicht zwar hohe Energiedichten, ist aber instabil, weil die Kathode bei Reaktion mit gängigen Elektrolyten sehr schnell Risse bildet.
„Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur“, schildert Seniorautor Stefano Passerini vom HIU. „Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode.“ Das machte es bislang unmöglich, diese Batterie über mehr als nur einen Ladezyklus effektiv zu nutzen.
Neuer Elektrolyt schützt die Kathode
Um dies zu vermeiden, haben die Forschenden diese Komponenten mit einen neuen Elektrolyten kombiniert. Dabei handelt es sich um einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren Flüssigelektrolyten, bei dem zwei negativ geladene organische Verbindungen, sogenannte Imide, die Rolle des Ladungstransporteurs übernehmen. „Mithilfe dieses Elektrolyten lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, berichtet Koautor Guk-Tae Kim vom HIU.
Nähere Analysen ergaben: Wenn der neue Elektrolyt in der Batterie eingesetzt wird, bildet er eine schützende Schicht an der Grenze zur Kathode. „Diese Schicht bewahrt die Kathode vor zerstörerischen Reaktionen mit dem Elektrolyten und verhindert so die irreversible Phasentransformation des hexagonalen Kristallgitters an seiner Oberfläche“, erklären Wu und seine Kollegen. Gleichzeitig sorge diese Schicht dafür, dass sich Mikrorisse nicht weiter ausbreiten können.
Auch nach tausend Ladezyklen noch stabil
Ob und wie sich diese Elektrochemie auf die Leistung und Stabilität der Lithium-Metall-Batterie niederschlägt, untersuchten die Wissenschaftler in Vergleichstest mit Zellen gleicher Bauart, aber einem gängigen organischen Elektrolyten. Das Ergebnis: Wie erwartet sank die Kapazität mit dem normalen Elektrolyten deutlich: Mit jedem Zyklus gab die Batterie 0,63 Millivolt weniger ab.
Anders bei der Kombination mit dem neuen Elektrolyt: Ihre Spannung blieb beim Laden und Entladen fast stabil, wie das Team berichtet. Die Speicherkapazität dieser Lithium-Metall-Batterie lag anfänglich bei 214 Milliamperestunden pro Gramm und sank selbst nach 1.000 Ladezyklen auf nur 88 Prozent ab. Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, betrug zudem durchschnittlich 99,94 Prozent.
Insgesamt erreichte die Lithium-Metall-Zelle durch die optimierte Kathode und den neuen Elektrolyten eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). In Kombination mit der erhöhten Stabilität lässt dies künftige Lithium-Metall-Akkus ein großes Stück näher rücken. (Joule, 2021; doi: 10.1016/j.joule.2021.06.014)
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie
