Lithium-Ionen-Batterien stellen derzeit noch die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung dar. Diese Technologie stößt jedoch bei manchen Anforderungen wie bei E-Autos an Grenzen. Die Suche nach Alternativen läuft weltweit auf Hochtouren, auch in Deutschland. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) präsentieren jetzt eine Lösung, mit der die Stabilität von Lithium-Metall-Batterien so verbessert wird, dass sie eine echte Alternative zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität darstellen können.
Geringe Stabilität war bisher das Problem bei Lithium-Metall-Batterien
Das bisherige Problem der Lithium-Metall-Batterien heißt hohe Energiedichte, geringe Stabilität. Lithium-Ionen-Batterien werden in der mobilen Stromversorgung fast überall eingesetzt. Doch besonders für die Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind, werden sehr hohe Energiedichten benötigt. Als Alternative zu Lithium-Ionen bieten sich Lithium-Metall-Batterien an: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse bzw. Volumen. Doch ihre Stabilität stellt bisher eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren.
Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gefunden. Sie setzen eine vielversprechende neue Materialkombination ein und verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (NCM88). Diese bietet eine hohe Energiedichte. Statt der üblichen organischen Elektrolyten, die bisher zu Zerstörungen an der Kathode führten, verwendeten die Forschenden einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). „Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, berichtet Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.
Rekordverdächtige Energiedichte
Die Ergebnisse können sich sehen lassen: Die Lithium-Metall Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine rekordverdächtige Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), teilten die Institute mit. Anfänglich weist die Batterie eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf, nach über 1 000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent. Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichnet, ist den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm nach eigenen Angaben „damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen.“
Auch die Industrie verfolgt das Thema aufmerksam. Das Cleantech-Startup SES aus Singapur bzw. Boston entwickelt eine Lithium-Metall-Batterie und wird von GM seit sechs Jahren unterstützt. SES ist ein integrierter Hersteller von Lithium-Metall-Batterien mit starken Fähigkeiten in den Bereichen Material, Zelle, Modulen, KI-gesteuerten Sicherheitsalgorithmen und Recycling.
Als Schlüsselelement für die eigenen Lithium-Metall-Batterien hat SES einen Elektrolyten entwickelt, der sowohl auf der Anoden- wie auch auf der Kathodenseite genutzt wird. Im Unterschied dazu gibt es Cleantech-Startups wie Theion, die sich auf „Semi“- oder „Quasi“-Feststoffbatterien konzentrieren. Hier wird er flüssige Elektrolyt nur auf einer Seite durch ein anorganisches Material ersetzt.(nw)
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