Hohe Energiedichte bei guter Stabilität durch rekordverdächtige Lithium-Metall-Zelle

Eine neuar­tige Lithi­um-Met­all-Bat­terie bietet eine extrem hohe Energiedichte von 560 Wattstun­den pro Kilo­gramm – bezo­gen auf das Gesamt­gewicht der Aktiv­ma­te­ri­alien – bei bemerkenswert guter Sta­bil­ität. Dafür haben Forschende am vom Karl­sruher Insti­tut für Tech­nolo­gie (KIT) in Koop­er­a­tion mit der Uni­ver­sität Ulm gegrün­de­ten Helmholtz-Insti­tut Ulm (HIU) eine vielver­sprechende Kom­bi­na­tion aus Kath­ode und Elek­trolyt einge­set­zt: Die nick­el­re­iche Kath­ode erlaubt, viel Energie pro Masse zu spe­ich­ern, der ion­is­che Flüs­sigelek­trolyt sorgt dafür, dass die Kapaz­ität über viele Ladezyklen weitest­ge­hend erhal­ten bleibt. Über die reko­rd­verdächtige Lithi­um-Met­all-Bat­terie berichtet das Team im Mag­a­zin Joule.
Derzeit stellen Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien die gängig­ste Lösung für die mobile Stromver­sorgung dar. Die Tech­nolo­gie stößt jedoch bei manchen Anforderun­gen an ihre Gren­zen. Dies gilt beson­ders für die Elek­tro­mo­bil­ität, bei der leichte, kom­pak­te Fahrzeuge mit hohen Reich­weit­en gefragt sind. Als Alter­na­tive 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 eine Her­aus­forderung dar – weil die Elek­tro­den­ma­te­ri­alien mit gewöhn­lichen Elek­trolyt­sys­te­men reagieren.
Eine Lösung haben nun Forschende am Karl­sruher Insti­tut für Tech­nolo­gie (KIT) und am Helmholtz-Insti­tut Ulm – Elek­tro­chemis­che Energiespe­icherung (HIU) gefun­den. Wie sie im Mag­a­zin Joule bericht­en, set­zen sie eine vielver­sprechende neue Mate­ri­alkom­bi­na­tion ein. Sie ver­wen­den eine kobal­tarme, nick­el­re­iche Schichtkath­ode (NCM88).
Diese bietet eine hohe Energiedichte. Mit dem üblicher­weise ver­wen­de­ten kom­merziell erhältlichen organ­is­chen Elek­trolyten (LP30) lässt die Sta­bil­ität allerd­ings stark zu wün­schen übrig. Die Spe­icherka­paz­ität sinkt mit steigen­der Zahl der Ladezyklen. Warum das so ist, erk­lärt Pro­fes­sor Ste­fano Passeri­ni, Direk­tor des HIU und Leit­er der Forschungs­gruppe Elek­tro­chemie der Bat­te­rien: „Im Elek­trolyten LP30 entste­hen Par­tikel­risse an der Kath­ode. Inner­halb dieser Risse reagiert der Elek­trolyt und zer­stört die Struk­tur. Zudem bildet sich eine dicke moosar­tige lithi­umhaltige Schicht auf der Anode.“ Die Forschen­den ver­wen­de­ten daher stattdessen einen schw­er­flüchti­gen, nicht ent­flamm­baren ion­is­chen Flüs­sigelek­trolyten mit zwei Anio­nen (ILE).

„Mith­il­fe des ILE lassen sich die Struk­turverän­derun­gen an der nick­el­re­ichen Kath­ode wesentlich eindämmen.“
— Dr. Guk-Tae Kim von der Forschungs­gruppe Elek­tro­chemie der Batterien

Kapazität über 1 000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten

Die Ergeb­nisse: Die Lithi­um-Met­all-Bat­terie erre­icht mit der Kath­ode NCM88 und dem Elek­trolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wattstun­den pro Kilo­gramm (Wh/kg) ) – bezo­gen auf das Gesamt­gewicht der Aktiv­ma­te­ri­alien. Sie weist anfänglich eine Spe­icherka­paz­ität von 214 Mil­liamper­estun­den pro Gramm (mAh/g) auf; 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 damit ein wesentlich­er Schritt auf dem Weg zur kohlen­stoffneu­tralen Mobil­ität gelungen.