Lithium-Ionen-Akkus stoßen bei der Energiedichte zunehmend an ihre Grenzen. Eine mögliche Alternative sind Lithium-Metall-Batterien, die eine doppelt so hohe Energiedichte und damit bessere Reichweiten für Elektroautos bieten. Forscher aus Jena konnten die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien jetzt verdoppeln und damit ein Kernproblem lösen.

Das Problem der Dendritenbildung bei Lithium-Metall-Batterien

Bisher sind Lithium-Metall-Batterien nur bedingt wieder aufladbar. Denn beim Aufladen lagert sich Lithium an der Anode ab und bildet nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten. Diese durchstoßen irgendwann die Separator-Membran, die Anode und Kathode voneinander trennt. Das kann zu Kurzschlüssen führen, weshalb Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Wegen suchen, Dendriten zu verhindern.

Forscher aus Jena haben es jetzt gemeinsam mit Kollegen aus Detroit und Boston geschafft, das Wachstum dieser Dendriten zu verhindern und die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien damit „mindestens zu verdoppeln“. In der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ berichten sie, wie ihnen das gelungen ist.

Der Schlüssel ist die Separator-Membran

Die Wissenschaftler stellten fest, dass bei der Dendritenbildung die Separator-Membran zwischen Anode und Kathode eine große Rolle spielt. Wenn ihre Poren groß und unregelmäßig sind, ist auch der Einstrom der Lithium-Ionen ungleichmäßig, was wiederum Dendriten an der Anode schneller wachsen lässt. Die Forscher brachten deshalb eine poröse Nanomembran aus Kohlenstoff auf den Separator auf, die wie eine Art Filter wirkt.

Die winzigen Öffnungen in dieser Kohlenstoffmembran sind kleiner als die kritische Keimgröße und verhindern so die Keimbildung, die das Wachsen der Dendriten auslöst. So lagert sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab und bildet keine dendritischen Strukturen. Die Funktionalität der Batterie werde dadurch nicht beeinträchtigt, melden die Forscher, und die Separator-Membran werde ebenfalls nicht beschädigt.

Die Batterie überstand unbeschadet Hunderte von Ladezyklen

Im Labor durchliefen die Batterien Hunderte von Ladezyklen, ohne dass Dendriten entstanden. Die Forscher sind deshalb zuversichtlich, dass ihre Erkenntnis eine neue Generation von Lithium-Batterien hervorbringen kann und haben die Methode zum Patent angemeldet. Als nächstes soll geprüft werden, wie sich die Nanomembran in den Herstellungsprozess integrieren lässt. Die Forscher wollen die Methode auch bei anderen Batterietypen anwenden.

Quellen / Weiterlesen

Forscher aus Jena verdoppeln Lebensdauer von E-Auto-Batterien | mdr Wissen
Längere Lebensdauer für Lithium-Metall-Batterien | scinexx
Inhibition of Lithium Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries via Regulated Cation Transport through Ultrathin Sub-Nanometer Porous Carbon Nanomembranes | Wiley Online Library
Hybrid membrane doubles the lifetime of rechargeable batteries | chemeurope.com
Bildquelle: Sathish Rajendran/WSU

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