Lithium-Metall-Batterien haben eine deutlich höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus. Doch bisher lassen sie sich nicht wieder aufladen. Anders als bisher vermutet sind der Grund dafür kleine Teile metallischen Lithiums, die beim Entladen von der Anode absplittern. Diese neue Erkenntnis hilft Forschern, Lithium-Metall-Batterien weiter zu entwickeln.

Lithium-Ionen-Akkus sind sehr leistungsfähig, doch in punkto Energiedichte begrenzt. Lithium-Metall-Batterien wären eine gute Alternative, denn ihre Energiedichte ist bis zu zehnmal höher. Ihre Anode besteht nicht wie bei Li-Io-Batterien aus Graphit, sondern aus metallischem Lithium.

Lithium-Metall-Batterien verlieren schnell an Kapazität

Bisher kommen Lithium-Metall-Akkus als Knopfzellen in Uhren oder medizinischen Geräten zum Einsatz. Wären sie wiederaufladbar, könnten Lithium-Metall-Batterien die Reichweite von Elektroautos stark erhöhen. Doch bisher verliert dieser Batterietyp nach nur einem Ladezyklus drastisch an Kapazität: Der Grund ist, dass nach dem Ladezyklus die Reserven an aktivem Lithium und Elektrolyt aufgebraucht sind.

Abbrechende Lithium-Stücke werden im Elektrolyten eingeschlossen

Ein Forscherteam an der Universität von San Diego in Kalifornien hat nun entdeckt, dass dafür kleine Lithium-Metallstücke verantwortlich sind. Diese brechen von der Anode ab und bilden im Elektrolyten eine Blockade: Das heißt, sie werden dort eingeschlossen und nehmen nicht mehr am elektrischen Kreislauf teil. Bisher waren Forscher davon ausgegangen, dass verästelte Lithium-Ablagerungen an der Anode der Grund für den schnellen Kapazitätsverlust sind.

Bislang war es schwierig, zu erkennen, was im Inneren von Lithium-Metall-Batterien abläuft. Das Forscherteam in San Diego musste deshalb eine neue Methode entwickeln, um zu ermitteln, wie viel metallisches Lithium unverbraucht als inaktives Lithium eingeschlossen wird. Um das herauszufinden, gaben die Forscher Wasser in einen verschlossenen Kolben mit einer Probe von inaktivem Lithium. Metallisches Lithium reagiert mit Wasser und setzt dabei Wasserstoff frei.

Anhand der Menge des freigesetzten Wasserstoffs konnte das Forscherteam die Menge des reaktiven Lithiums ermitteln. Das Ergebnis war überraschend: Anders als es die Forscher erwartet hatten, war metallisches Lithium der Hauptbestandteil des inaktiven Lithiums. Weitere Tests ergaben einen linearen Zusammenhang zwischen der Ladekapazität der Batterie und der Menge des inaktiven metallischen Lithiums. Dieses Ergebnis konnten die Forscher mit acht verschiedenen Elektrolyten bestätigen.

Erfolgreiche Tests mit einem neuen Elektrolyten

Das bedeutet: Anders als bisher vermutet, sind nicht Lithiumablagerungen an der Anode für den Kapazitätsverlust von Lithium-Metall-Batterien verantwortlich. Mit diesem Wissen können die Forscher nun nach Lösungen für das Problem suchen. Ein erster Ansatz dafür ist die Erkenntnis, dass das Ablösen der Lithium-Stücke eng mit dem verwendeten Elektrolyten zusammenhängt. Das Forscherteam testete bereits einen eigenen, optimierten Elektrolyten. An diesem wuchsen kompakte und stabile Säulen an der Anode. Da diese Säulen weniger schnell abbrechen, blieb auch die Ladekapazität der Lithium-Metall-Batterie länger erhalten.

Die Forscher in San Diego hoffen nun, dass ihre Erkenntnisse weitere Forschung in diese Richtung anregen. Dann könnten Lithium-Metall-Batterien auf die nächste Ebene gebracht werden, und am Ende eine langlebige und wiederaufladbare Batterie entstehen.

Quellen / Weiterlesen

Warum Lithium-Metall-Batterien versagen | scienexx
Quantifying inactive lithium in lithium metal batteries | Nature
Warum Lithium-Metall-Akkus ausfallen | elektroniknet.de
Bildquelle: Public Domain Pictures.net

2 KOMMENTARE

  1. Interessanter Artikel. Die Freude am Lesen wird aber leider durch mehrfache falsche Verwendung der Begriffe „Akku“ und „Batterie“ gestört.

  2. Ob dies Lithium so oder anders sind, das interessiert die Kunden z Zt. wenig.Viel wichtiger wäre wie lange sie halten und und was ein Tausch kostet. Mit Umbau Neu Akku oder den alten aufbereiten. Vor diesen Kosten drückt sich jede Firma.Bis diese Wertverluste nicht in Stein gemeisselt sind, kann mit gutem Gewissen lediglich ein Mietakku empfohlen werden.Dort sind die Facts bekannt und der Vermieter trägt das Risiko.

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