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Batterieforschung Neuartige Lithium-Metall-Batterie: extrem hohe Energiedichte bei bemerkenswert guter Stabilität

Redakteur: Alexander Stark

Forschende haben eine vielversprechende Kombination aus Kathode und Elektrolyt eingesetzt, um die Energiedichte und Stabilität von Lithium-Metall-Batterien zu erhöhen. Die dabei entstandene Batterie erzielt rekordverdächtige Werte.

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Mit einer vielversprechenden Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen die Forscherinnen und Forscher des HIU eine sehr hohe Energiedichte möglich machen.
Mit einer vielversprechenden Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen die Forscherinnen und Forscher des HIU eine sehr hohe Energiedichte möglich machen.
(Bild: Amadeus Bramsiepe, KIT)

Karlsruhe – Derzeit stellen Lithium-Ionen-Batterien die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung dar. Die Technologie stößt jedoch bei manchen Anforderungen an ihre Grenzen. Dies gilt besonders für die Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind. Als Alternative bieten sich Lithium-Metall-Batterien an: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse bzw. Volumen. Doch ihre Stabilität stellt eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren.

Eine Lösung haben nun Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gefunden. Wie sie im Magazin Joule berichten, setzen sie eine vielversprechende neue Materialkombination ein. Sie verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (NCM88). Diese bietet eine hohe Energiedichte. Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) lässt die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig.

Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) lassen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden; die Kapazität der Batterie bleibt über 1 000 Ladezyklen zu 88 % erhalten.
Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) lassen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden; die Kapazität der Batterie bleibt über 1 000 Ladezyklen zu 88 % erhalten.
(Bild: Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU)

Die Speicherkapazität sinkt mit steigender Zahl der Ladezyklen. Warum das so ist, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien: „Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode. Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur. Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode.“ Die Forschenden verwendeten daher stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). „Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, berichtet Dr. Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

Kapazität über 1000 Ladezyklen zu 88 % erhalten

Die Ergebnisse: Die Lithium-Metall-Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Sie weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf; über 1000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 %. Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichnet, ist den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen.

Originalpublikation: Fanglin Wu, Shan Fang, Matthias Kuenzel, Angelo Mullaliu, Jae-Kwang Kim, Xinpei Gao, Thomas Diemant, Guk-Tae Kim, and Stefano Passerini: ual-anion ionic liquid electrolyte enables stable Ni-rich cathodes in lithium-metal batteriesD. Joule. Cell Press, 2021. DOI: 10.1016/j.joule.2021.06.014

(ID:47579144)