Materialforschung am KIT

Durchbruch bei Hochenergie-Batterien?

KIT Hochenergie-Batterien
Forscher des KIT haben neue Erkenntnisse zu Lithium-Ionen-Batterien gewonnen. Das könnte die Kapazität der Akkus um 30 Prozent erhöhen. Bild: Amadeus Bramsiepe / KIT
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Es könnte ein Durchbruch auf dem Weg zur Hochenergie-Batterie sein: Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Dies könnte sich besonders positiv auf die Reichweite von Elektroautos auswirken.

Die Forscher untersuchten strukturelle Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialien und gewannen so die Erkenntnisse, die bei Lithium-Ionen-Akkus die Kapazität um bis zu 30 Prozent steigern könnte. Das Team bereichtet darüber in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Kurze Reichweiten verhindern Durchbruch von E-Mobilität

Die E-Mobilität wartet nach wie vor auf ihren Durchbruch. Besonders die geringen Reichweiten der Stromer halten viele Kunden davon ab, sich ein Auto mit Elektroantrieb zu kaufen. Es müssen also Lithium-Ionen-Akkus mit höherer Ladekapazität her. „Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, sagt Helmut Ehrenberg, Professor und Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS).

Lithium-Ionen-Akkus: 30 Prozent mehr Leistung möglich

Die Forscher am KIT hätten jetzt die elektrochemischen Vorgänge in den Batterien besser verstanden. Der Einsatz neuer Materialien könnte jetzt die Speicherkapazität der Akkus um 30 Prozent erhöhen, schätzt Ehrenberg. Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST). CELEST ist die größte Forschungsplattform für elektrochemische Speicher in Deutschland.

Manganreiche Materialien erhöhen Speichervolumen

Doch was ist an der neuen Variante der Lithium-Ionen-Akkus anders? Es ist der Unterschied beim Kathodenmaterial. In herkömmlichen Akkus werden bislang hauptsächlich Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt verbaut. In den Hochleistungsvarianten werden manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss eingesetzt – dadurch erhöht sich die Energiespeicherfähigkeit deutlich.

Das Problem: Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen – also der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie – degradiert das Hochenergie-Kathodenmaterial. Das Schichtoxid wandelt sich in eine Kristallstruktur mit ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften um. Die Folge: Die mittlere Lade- und Entladespannung sinkt. Das Ergebnis: Brauchbare Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus konnten bislang nicht entwickelt werden.

KIT-Forscher machen wichtigen Schritt für Entwicklung

Bisher konnten Wissenschaftler nicht genau nachvollziehen, wie der Degradationsprozess abläuft. Das Forscherteam vom KIT und den kooperierenden Einrichtungen hat jetzt den grundlegenden Mechanismus in der Zeitschrift Nature Communications beschrieben.

Die Degradation, so die Erkenntnisse des Teams, läuft nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer lithiumhaltigen Kochsalzstruktur ab. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle“, sagt Weibo Hua vom IAN-ESS. Hua ist einer der Hauptautoren der Studie.

Verhalten von Batterien nicht nur von Degradation abhängig

Wie sich Batterietechnologien verhalten, hängt aber nicht nur direkt vom Degradationsprozess ab, haben die Forscher festgestellt. Die Entdeckung hatten Weibo und sein Team nämlich gemacht, als sie das Kathodenmaterial synthetisierten. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos ist damit gemacht. Jetzt kann in die eigentliche Entwicklungsarbeit dieses neuen Batterietyps beginnen. (wag)


Kontakt zum KIT

Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 6080
E-Mail: info@kit.edu
Website: www.kit.edu

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