Neue Generation sicherer und günstigerer Lithium-Ionen-Akkus: US-Forscher schaffen Durchbruch bei LiTFSI-Batterie

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lithium-ionen-akkus-us-forscher-durchbruch-litfsiNachteile von Lithium-Ionen-Akkus:

Lithium-Ionen-Akkus sind die derzeit beste Lösung für Elektroautos, aber auch für Smartphones und Laptops. Doch sie sind teuer in der Produktion und schlecht zu recyceln, was vor allem an den als Transportmedium für die Lithiumionen verwendeten wasserfreien Elektrolytlösungen liegt. Zwar ermöglichen diese Mittel eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer, sie sind jedoch hochgiftig und können nur aufwendig in Reinräumen mit extrem geringer Luftfeuchtigkeit verwendet werden. Würde man allerdings wässrige Lösungen verwenden, würde es bereits bei geringen Spannungen zur Bildung von brennbarem Wasserstoffgas kommen.

Vor kurzem wurde bekannt, dass Harvard-Wissenschaftler eine Batterie ohne Giftstoffe entwickelt haben. Diese neuen Batterien sind mit Elektroden ausgestattet sind, deren Verbindungen aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Eisen und Kalium bestehen.

Hochkonzentrierte Salzlösung als Elektrolytlösung

Forschern in den USA ist es nun erstmals gelungen, dieses Problem durch die Verwendung einer hochkonzentrierten Salzlösung zu beheben – ein wichtiger Schritt, um organische Flüssigkeiten in Li-Io-Akkus überflüssig zu machen. Wie Chunsheng Wang von der University of Maryland in College Park in der Fachzeitschrift „Science“ berichtet, lösten die Forscher ein spezielles Lithium-Salz (Lithiumbistrifluoromethansulfonylimid, kurz LiTFSI) in Wasser auf. Dabei handelt es sich um eine der sogenannten „ionischen Flüssigkeiten“. Diese sind bereits bei Raumtemperatur flüssig und gut wasserlöslich. Diese Salzlösung verwendeten Wang und Kollegen, um den Raum zwischen den beiden Akku-Elektroden zu füllen. Der Prototyp lieferte im Test etwa tausend Ladezyklen lang eine Spannung von 2,3 Volt, ohne dass Wasserstoff gebildet wurde. Bei früheren Lithiumionen-Systemen mit wässrigen Elektrolyten lag das Maximum mit etwa 1,23 Volt deutlich darunter.

Akku-Spannungen bis zu 3 Volt möglich

Bei der anschließenden Untersuchung der Elektroden zeigte sich, dass sich wegen der extrem hohe Salzkonzentration im Elektrolyten eine dünne Schicht aus Lithiumfluorid auf der negativen Elektrode gebildet hatte. Das Lithiumfluorid wirkte als sogenannte Passivierungsschicht, die die Wasserstoffproduktion unterdrückte. Damit könnten sogar Akku-Spannungen von bis zu 3 Volt möglich werden. „Mit diesen höheren Spannungen könnte nun eine neue Generation sicherer und günstigerer Lithiumionen-Akkus entwickelt werden“, so Jeff Dahn, Akkuforscher an der kanadischen Dalhousie University in Halifax. Es ergäben sich daraus bessere Recyclingmöglichkeiten sowie kostengünstigere Produktionsprozesse.

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Marktreife der LiTFSI-Akkus in 5 Jahren

Diese neuen Akkus könnten bereits in weniger als fünf Jahren für stationäre Stromspeicher einsetzbar sein. Bis zur Verwendung in Elektroautos oder Smartphones soll es etwa doppelt so lange dauern. „Aber unsere Ergebnisse sind auch von fundamentaler Bedeutung“, so Kang Xu vom US-Army Research Laboratory, „und könnten für zukünftige Metall-Luft-Akkus oder auch für Brennstoffzellen und neue Superkondensatoren wichtig werden.“

Quelle: Welt der Physik: Neuartiger Lithiumionen-Akku ohne organische Lösungsmittel
Bildquelle: © Stingray / pixelio – www.pixelio.de

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