CATL: Durchbruch bei Lithium-Metall-Batterien

CATL erzielte einen Durchbruch in der Lithium-Metall-Batterie-Technologie durch quantitative Kartierung, der in bisher unerforschtes Terrain der Elektrolytstrategie vorstößt. Die bahnbrechenden Erkenntnisse in diesem Bereich wurden in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht. Die Forschung löst dabei das Kernproblem von Lithium-Metall-Batterien (LMB), indem sie sowohl hohe Energiedichte (über 500 Wh/kg) als auch eine verlängerte Zyklenlebensdauer (483 Zyklen) ermöglicht. Durch die Entschlüsselung des Hauptausfallgrunds (Verbrauch des Elektrolytsalzes LiFSI) konnte CATL eine optimierte Elektrolytformulierung entwickeln. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die kommerzielle Nutzung von LMBs in Elektrofahrzeugen und Elektroflugzeugen. Die Forschungsergebnisse lassen langlebige und energiedichte Batterien nun Realität werden.

483 Zyklen und Energiedichte von über 500 Wh/kg

Mit einer Zyklenlebensdauer von 483 Zyklen und einer Energiedichte von über 500 Wh/kg setzt der optimierte Lithium-Metall-Batterie-Prototyp neue Maßstäbe im Bereich der Batterietechnologie. LMBs gelten als die Batterie der nächsten Generation für leistungsintensive Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Flugzeuge, standen aber lange vor Hürden bei der Kommerzialisierung. Trotz ihrer potenziell hohen Energiedichte hatten Forscher nach wie vor mit einer kurzen Zyklenlebensdauer zu kämpfen. CATLs Durchbruch ist entscheidend für die kommerzielle Nutzung. Er löst den langjährigen Konflikt, der LMBs als vielversprechende Batteriesystemen bislang ausbremste.

CATL entdeckt die Ursache für eine kurze Lebensdauer der LMB

Bisherige Forschungen an Lithium-Metall-Batterien (LMBs) konzentrierten sich darauf, die Zellleistung durch die Optimierung von Solvatationsstrukturen und Festelektrolyt-Grenzflächen zu verbessern. Bei diesen Ansätzen litt jedoch die Lebensdauer und lieferten keine kommerziell nutzbaren Lösungen. Das Verständnis des tatsächlichen Ausfallmodus von LMBs blieb dabei begrenzt, da es schwierig war, den Verbrauch von aktivem Lithium und Elektrolytkomponenten präzise zu messen.

Zur Überwindung dieser Hürde entwickelte das Forschungs-Team von CATL eine Reihe ausgeklügelter Analysetechniken. Mit diesen konnten sie die Entwicklung von aktivem Lithium und jeder Elektrolytkomponente über den gesamten Lebenszyklus der Batterie hinweg verfolgen. Dieser Ansatz verwandelte die bisherige „Black Box“ des Batterieversagens in eine „White Box“. Dadurch wurden die kritischen Verbrauchswege sichtbar, die zum Zellausfall führen. Überraschenderweise fanden die Forscher heraus, dass die Hauptursache für das Zellversagen nicht der Lösungsmittelabbau, die Ansammlung von totem Lithium oder eine gestörte Solvatationsumgebung ist. Stattdessen ist es der kontinuierliche Verbrauch des Elektrolytsalzes LiFSI, von dem am Ende der Lebensdauer 71% aufgebraucht sind. Diese Entdeckung zeigt, dass die Industrie ihren Fokus über die Coulomb-Effizienz (CE) hinaus erweitern muss, um die Haltbarkeit des Elektrolyten als entscheidenden Faktor für anhaltende Batterieleistung zu berücksichtigen.

CATL optimiert Elektrolytformulierung

Auf Basis dieser Erkenntnisse verbesserte CATL die Elektrolytformulierung durch die Einführung eines Verdünnungsmittels mit geringerem Molekulargewicht. Diese Anpassung erhöhte den Massenanteil des LiFSI-Salzes, optimierte die Ionenleitfähigkeit und reduzierte die Viskosität, ohne die Gesamtmasse des verwendeten Elektrolyten zu erhöhen. Der daraus resultierende LMB-Prototyp verdoppelt bei gleicher Effizienz die Zyklenlebensdauer auf 483 Zyklen und ermöglicht in neuen Designs eine Energiedichte von über 500 Wh/kg. Dieser Durchbruch markiert einen Wendepunkt in der Batterieentwicklung, da er energiereiche und zugleich langlebige Batterien Wirklichkeit werden lässt. Ouyang Chuying, Co-Präsident für Forschung und Entwicklung bei CATL und Executive Deputy Director des 21C Lab, betont zudem:

„Wir sahen eine wertvolle Gelegenheit, die Lücke zwischen akademischer Forschung und ihrer praktischen Anwendung in kommerziellen Batteriezellen zu schließen. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass der Verbrauch von LiFSI-Salz und die Gesamtkonzentration des Salzes ein grundlegender Faktor für die Batterielanglebigkeit ist.“

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