Neue Elektroden für langlebige Feststoffakkus

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Ein Forscherteam aus Japan hat ein neuartiges Elektrodenmaterial entwickelt, mit dem Elektroden in Feststoffbatterien ihr Volumen behalten. Normalerweise dehnen sich diese beim Laden und Entladen aus bzw. ziehen sich zusammen, was ihre Lebensdauer verkürzt. Eine neue Zusammensetzung soll dieses Problem lösen.

Beim Laden verändert sich die Kristallstruktur der Elektrode

Festkörperbatterien sind seit mehreren Jahren sehr interessant für Batterieforscher. Sie bestehen vollständig aus festen Materialien und sind deshalb sicherer als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem lassen sie sich viel schneller aufladen, haben jedoch mit Stabilitätsproblemen zu kämpfen.

Wenn Lithium-Ionen sich beim Laden und Entladen in die Batterie-Elektroden einlagern oder wieder herauslösen, verändert sich die Kristallstruktur der Elektrode: Sie zieht sich zusammen oder dehnt sich aus. Das wiederum beschädigt die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem festen Elektrolyten, was die Lebensdauer der Batterie verkürzt.

Neues Material bleibt über Hunderte Zyklen stabil

Das Forscherteam unter der Leitung von Professor Naoaki Yabuuchi von der Yokohama National University in Japan hat ein neues Elektrodenmaterial aus Lithiumtitanat und Lithiumvanadiumdioxid entwickelt. Dieses Material wird auf eine geeignete Partikelgröße in der Größenordnung von Nanometern gemahlen. Es bietet eine hohe Kapazität dank einer großen Menge an Lithium-Ionen, die während des Lade- und Entladevorgangs ein- und ausgelagert werden können.

Der Clou: Dieses innovative Elektrodenmaterial behält sein Volumen während des gesamten Ladevorgangs bei. So übersteht die Batterie Hunderte von Zyklen ohne Kapazitätsverlust.

Diese gute Eigenschaft ist den Forschern zufolge auf ein Gleichgewicht zwischen zwei unabhängigen Phänomenen zurückzuführen, die auftreten, wenn Lithium-Ionen in den Kristall eingebracht oder wieder herausgelöst werden. Einerseits vergrößert sich beim Herauslösen das freie Volumen im Kristall, was diesen schrumpfen lässt. Andererseits wandern einige Vanadium-Ionen von ihrer ursprünglichen Position in die von den Lithium-Ionen hinterlassenen Lücken und nehmen dabei eine höhere Oxidationsstufe an. Wenn sich Schrumpfung und Ausdehnung die Waage halten, bleibt die Formstabilität erhalten.

Die japanischen Forscher gehen davon aus, dass durch eine weitere Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten ein wirklich dimensionsstabiles Material entwickelt werden könnte, dessen Volumen bei elektrochemischen Zyklen stabil bleibt.

Tests in einer Festkörperzelle zeigen gute Ergebnisse

Sie haben das neue Material in einer Festkörperzelle getestet, wo es eine beeindruckende Leistung mit einer Kapazität von 300 mAh/g zeigte. Diese verschlechterte sich auch nach 400 Ladezyklen nicht. Das werten die Forscher als klaren Hinweis auf die überlegene Leistung ihres Materials im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperzellen mit geschichteten Materialien. „Diese Erkenntnis könnte die Batteriekosten drastisch senken“, sagte Neeraj Sharma, Mitautor der Studie. „Die Entwicklung praktischer Hochleistungs-Festkörperbatterien kann auch zur Entwicklung fortschrittlicher Elektrofahrzeuge führen.“

Die Forscher wollen ihr Elektrodenmaterial nun weiter verbessern. Das Ziel sind Batterien, die bei Preis, Sicherheit, Kapazität, Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer gut genug für Elektrofahrzeuge sind. „Die Entwicklung von langlebigen und leistungsstarken Festkörperbatterien würde einige der Probleme von Elektrofahrzeugen lösen“, so Studienleiter Naoaki Yabuuchi. „In Zukunft könnte es beispielsweise möglich sein, ein Elektrofahrzeug in nur fünf Minuten vollständig aufzuladen.“

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