Eine neue Lithium-Metall-Batterie erreichte im Labor eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialien. Dabei ist sie dank einer neuen Kombination aus Kathode und Elektrolyt bemerkenswert stabil: Sie hat nach über 1.000 Ladezyklen noch 88 Prozent ihrer Kapazität.

Lithium-Metall-Batterien verlieren schnell an Kapazität

Das Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) berichtet im Magazin Joule über seine vielversprechende neue Entwicklung. Lithium-Metall-Batterien haben grundsätzlich eine gute Energiedichte, sind jedoch bisher nicht stabil genug und verlieren schnell an Speicherkapazität. Das liegt daran, dass die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolyten reagieren.

Durchbruch mit ionischem Flüssigelektrolyt

Die neue Batterie nutzt eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (NCM88) mit hoher Energiedichte. Um das Absinken der Speicherkapazität zu verhindern, das im Zusammenspiel mit den normalerweise verwendeten organischen Elektrolyten (LP30) auftritt, verwendeten die Forscher einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). Mit Erfolg: „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.

Beim herkömmlichen LP30-Elektrolyten dagegen entstehen Partikelrisse an der Kathode, innerhalb derer der Elektrolyt reagiert und die Struktur zerstört. Außerdem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Anode. Diese Veränderungen treten bei der neuen Batterie weitgehend nicht auf, so dass sie nach über 1.000 Ladezyklen noch 88 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) besitzt. Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent, teilten die Forscher mit. Die Batterie zeichnet sich zusätzlich durch eine hohe Sicherheit aus.

lithium-metall-akkuErfolg für die Elektromobilität

Noch gibt es die Batteriezelle nur im Labor. Wenn sie in eine serienreife kommerzielle Batterie überführt werden kann, wäre dies ein wichtiger Schritt für die umweltfreundliche Mobilität. Neue günstige Batterietypen mit hoher Energiedichte werden dringend gesucht, da Lithium-Ionen-Batterien in E-Fahrzeugen mehr und mehr an ihre Grenzen stoßen.

Quellen / Weiterlesen

Rekordverdächtige Lithium-Metall-Zelle | KIT
Lithium-Metall-Batterie erzielt Spitzenwerte | Battery News
Dual-anion ionic liquid electrolyte enables stable Ni-rich cathodes in lithium-metal batteries | Joule
Bildquelle oben: © Amadeus Bramsiepe, KIT
Bildquelle Text: © Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU

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