Forscher vermelden Durchbruch bei Lithium-Metall-Akkus mit sehr hoher Energiedichte

24. Aug. 2021 17:30 Uhr - Redaktion

Lithium-Ionen-Akkus sind momentan und bleiben wahrscheinlich noch auf absehbarer Zeit die bevorzugte Technologie für die Stromversorgung von Notebooks, Smartphones, Tablets, Fahrzeugen und anderen Geräten. An Alternativen, die beispielsweise eine höhere Energiedichte oder kürzere Ladezeiten ermöglichen, wird fieberhaft geforscht. Nun haben Forscher aus Deutschland eine Alternative präsentiert.

Eine extrem hohe Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm – bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialien – bei bemerkenswert guter Stabilität bietet ein neuartiger Lithium-Metall-Akku. Dafür haben Forscher am vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) eine vielversprechende Kombination aus Kathode und Elektrolyt eingesetzt: Die nickelreiche Kathode erlaubt, viel Energie pro Masse zu speichern, der ionische Flüssigelektrolyt sorgt dafür, dass die Kapazität über viele Ladezyklen weitestgehend erhalten bleibt.

Derzeit stellen Lithium-Ionen-Akkus 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.

 
Deutsche Forscher: Lithium-Metall-Akku setzt neue Maßstäbe
 
Mit einer vielversprechenden Kombination aus Kathode und Elektrolyt
wollen die Forscher des HIU eine sehr hohe Energiedichte möglich machen.

Bild: Amadeus Bramsiepe, KIT.

 

Eine Lösung haben nun Forscher 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. 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 Anode." Die Forscher 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 Prozent erhalten

Die Ergebnisse: Der Lithium-Metall-Akku erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) – bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialien. 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 Prozent. Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichnet, ist den Forschern aus Karlsruhe und Ulm damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen.

Ob es zu einer kommerziellen Nutzung der Entdeckung kommt, bleibt abzuwarten. Es gibt derzeit jede Menge vielversprechende Ansätze, Akkus der nächsten Generation zur Marktreife zu bringen. Neben der technischen Machbarkeit spielen vor allem auch die Fertigungskosten eine Rolle. Welche Technologien zur mobilen Energiespeicherung sich in fünf bis zehn Jahren durchsetzen werden - Lithium-Metall, Natrium-Ionen, Zink-Luft, um nur drei Beispiele zu nennen (oder schlicht eine weiterentwickelte Lithium-Ionen-Technik) - ist daher noch nicht abzusehen.

Kommentare

Das wird ein Fest für die Bedenkenträger der Freiwilligen Feuerwehr. Typen  die keine Ahnung von nix haben, aber den Schulversuch "Alkalimetall in Wasser" vor Augen behalten haben. Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte und Lebensdauer werden zwar seit Jahrzehnten problemlos verwendet, sogar in Rauchmeldern. Aber große Akkus gaben in ihren Augen mit Sicherheit das Vernichtungspotential einer kleinen Wasserstoffbombe. Zur Seite springen werden ihnen zuverlässig die Dünnbrettbohrer der schreibenden Zunft auf der Suche nach Skandalpotential - weist schon, Sommerloch. Lasst die Spiele beginnen. ;-)