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Forscher an KIT und HIU entwickeln rekordverdächtige Lithium-Metall-Batterie – hohe Energiedichte, gute Stabilität

Batterie-Forschung
Forscher an KIT und HIU entwickeln rekordverdächtige Lithium-Metall-Batterie

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Forscher des HIU wollen eine sehr hohe Energiedichte möglich machen.
Bild: Amadeus Bramsiepe, KIT

Forscher am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) haben eine neuartige Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die eine extrem hohe Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm aufweist – und das bei guter Stabilität. Dafür haben die Forscher eine vielversprechende Kombination aus Kathode und Elektrolyt eingesetzt: Die nickelreiche Kathode erlaubt, viel Energie pro Masse zu speichern; der ionische Flüssig-Elektrolyt erlaubt die weitestgehende Erhaltung der Kapazität über viele Ladezyklen hinweg. Das Entwickler-Team hat über die rekordverdächtige Lithium-Metall-Batterie jetzt im Magazin Joule berichtet.

Lithium-Ionen-Batterien stellen derzeit die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung dar. Bei manchen Anforderungen jedoch stößt die Technologie an ihre Grenzen – besonders in der Elektro-Mobilität. Dort sind nämlich leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt.

Die Alternative: Lithium-Metall-Batterien, die über eine hohe Energie-Dichte verfügen, also viel Energie pro Masse bzw. Volumen speichern. Das Problem: Ihre Stabilität stellt eine Herausforderung dar – weil die Elektroden-Materialien mit gewöhnlichen Elektrolyt-Systemen reagieren.

Neue Material-Kombination soll Probleme beseitigen

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) wollen nun eine Lösung gefunden haben.

Im Magazin Joule berichten sie davon, wie sie eine vielversprechende neue Material-Kombination einsetzen. Sie verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schicht-Kathode (NCM88). Diese bietet eine hohe Energiedichte.

Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) lässt die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig. Je öfter die Batterie geladen wird, desto geringer wird die Speicher-Kapazität.

Kathode NCM88
Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) lassen sich Struktur-Veränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden. Grafik: Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU

„Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode“, erklärt Prof. Stefano Passerini das Phänomen. Passerini ist Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien. „Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur. Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode“, sagt er.

Um dies zu verhindern, verwendeten die Forscher stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). „Mithilfe des ILE lassen sich die Struktur-Veränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, berichtet Dr. Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

88 Prozent Kapazität nach mehr als 1.000 Ladezyklen

Die Ergebnisse: Die Lithium-Metall-Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg).

Sie weist anfänglich eine Speicher-Kapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf; nach 1.000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten.

Die Coulomb-Effizienz (Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität) beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent. Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichne, sei den Forschern damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen. (wag)

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