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Batterieforschung Vielversprechendes Anodenmaterial für Hochleistungsbatterien der Zukunft

| Redakteur: Alexander Stark

Batterien mit besserer Leistung bei gleichem oder gar geringerem Platzbedarf – das könnte mit Lithium-Lanthan-Titanat (LLTO) gelingen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Jilin-Universität in Changchun/China haben dieses vielversprechende Anodematerial genauer untersucht und seine Vorteile gegenüber den verbreiteten Graphitelektroden aufgedeckt.

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Mit neuen Materialien will das Forscherteam sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen.
Mit neuen Materialien will das Forscherteam sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen.
(Bild: IAM, KIT)

Karlsruhe – Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt. Zugleich wächst der Bedarf an intelligenten Stromnetzen für eine nachhaltige Energieversorgung. Diese und weitere mobile und stationäre Technologien erfordern geeignete Batterien. Möglichst viel Energie auf möglichst kleinem Raum bei möglichst geringem Gewicht zu speichern – diese Anforderung erfüllen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) nach wie vor am besten.

Graphit-Anoden: Ein Standard mit Nachteilen

Die Forschung zielt darauf, Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer dieser Batterien zu steigern. Dabei kommt es wesentlich auf die Elektrodenmaterialien an. Anoden in LIB bestehen aus einem Stromableiter und einem darauf aufgebrachten Aktivmaterial, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Als Aktivmaterial dient überwiegend Graphit. Negative Elektroden aus Graphit haben allerdings eine niedrige Laderate. Zudem weisen sie Sicherheitsprobleme auf. Unter den alternativen Aktivmaterialien wurde Lithium-Titanat-Oxid (LTO) bereits kommerzialisiert. Negative Elektroden mit LTO bieten eine höhere Laderate und gelten als sicherer als solche mit Graphit. Allerdings haben LIB mit LTO-Anoden tendenziell eine niedrigere Energiedichte.

Neue Elektroden im Test

Schematische Darstellung der Perowskit-Kristallstruktur von Lithium-Lanthan-Titanat.
Schematische Darstellung der Perowskit-Kristallstruktur von Lithium-Lanthan-Titanat.
(Bild: Fei Du/Jilin-Universität)

Das Team um Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) des KIT, hat nun ein weiteres vielversprechendes Anodenmaterial erforscht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO). Die Studie führten die KIT-Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Jilin-Universität in Changchun, China, und weiterer Forschungseinrichtungen in China und Singapur durch.

Das Ergebnis der internationalen Forschungsarbeit: LLTO-Anoden weisen im Vergleich zu kommerzialisierten LTO-Anoden ein niedrigeres Elektrodenpotenzial auf, wodurch sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen lassen. „Zellspannung und Speicherkapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie“, erklärt Ehrenberg. „Künftig könnten LLTO-Anoden besonders sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen.“ Die Studie trägt zur Arbeit der Forschungsplattform für elektrochemische Speicher Celest (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe) bei, einer der größten Batterieforschungsplattformen weltweit, in die auch das Exzellenzcluster Polis eingebettet ist.

Hohe Laderate trotz größerer Partikel

Neben Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer entscheidet auch die Laderate über die Eignung einer Batterie für anspruchsvolle Anwendungen. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronentransport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolytmaterialien ab. Um die Laderate zu verbessern, ist es üblich, die Partikelgröße des Elektrodenmaterials von der Mikrometer- auf die Nanometerskala zu reduzieren.

Wie die Studie der KIT-Forscher und ihrer Kooperationspartner zeigt, ermöglichen bei perowskitstrukturiertem LLTO aber selbst Partikel von einigen Mikrometern eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Laderate als LTO-Nanopartikel. Dies führt das Forscherteam auf so genannte pseudokapazitive Eigenschaften von LLTO zurück: An diesem Anodenmaterial lagern sich nicht nur einzelne Elektronen an, sondern ladungstragende Ionen, die über schwache Kräfte gebunden sind und reversibel Ladungen an die Anode übertragen können. „Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kostengünstigere Verfahren der Elektrodenherstellung“, erläutert Ehrenberg.

Der Beitrag erschien zuerst auf unserem Schwesterportal PROCESS.

Originalpublikation (Open Access): Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu & Fei Du: Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries. Nature Communications, 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-17233-1

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