Der Hulk der Batterien Lithium-Metall-Batterie erreicht Rekord-Energiedichte

Redakteur: Peter Königsreuther

Forschende am KIT in Karlsruhe und dem HIU in Ulm berichteten im Magazin Joule jüngst von ihrem Erfolg in Sachen Batterieentwicklung. Lesen Sie hier, was geglückt ist.

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Mit einer ganz speziellen Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen Forschende am HIU in Ulm und am KIT in Karlsruhe Lithium-Metall-Batterien entwickeln, deren Energiedichte rekordverdächtige 560 Wattstunden pro Kilogramm erreicht.
Mit einer ganz speziellen Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen Forschende am HIU in Ulm und am KIT in Karlsruhe Lithium-Metall-Batterien entwickeln, deren Energiedichte rekordverdächtige 560 Wattstunden pro Kilogramm erreicht.
(Bild: A. Bramsiepe / KIT)

Lithium-Ionen-Batterien für die mobile Stromversorgung kennt man ja. Diese Technik stoße aber bei manchen Anforderungen an ihre Grenzen, sagen die Experten. Dies gelte besonders für Anwendungen in der Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hoher Reichweite gefragt sind. Als Alternative stellt man nun die sogenannte Lithium-Metall-Batterien vor. Denn sie zeichne sich durch eine hohe Energiedichte aus. Das heißt, sie speichert viel Energie pro Kilogramm respektive Volumeneinheit. Probleme gab es bisher nur in Sachen Stabilität, weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen chemisch reagieren, heißt es weiter.

Eine neue Idee zur Lösung des Problems habe man nun am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gefunden. Wie sie sagen, basiert alles auf einer vielversprechenden neuen Materialkombination.

Lithium-Metall-Batterie erreicht 560 Wattstunden pro Kilo

Sie verwenden nämlich eine kobaltarme aber nickelreiche Schichtkathode (NCM88). Diese ist für die hohe Energiedichte verantwortlich. In Kombination mit den markttypischen organischen Elektrolyten (LP30) ließe die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig. Denn 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.“ (Siehe Bild unten). Zudem bildet sich eine dicke moosartige, lithiumhaltige Schicht auf der Kathode aus, wie es weiter heißt. Die Forschenden verwendeten deshalb einen schwer flüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten, mit zwei Anionen (ILE). „Damit lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode stark eindämmen“, merkt Dr. Guk-Tae Kim, von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU, an.

Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) lassen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden. Das ermöglicht es, dass die Kapazität der Batterie auch nach über 1.000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten bleibt.
Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) lassen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden. Das ermöglicht es, dass die Kapazität der Batterie auch nach über 1.000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten bleibt.
(Bild: F. Wu / M. Künzel resp. KIT / HIU)

Die Ergebnisse könnten sich sehen lassen, denn 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 Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf, heißt es weiter. Noch nach über 1.000 Ladezyklen bleibe die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. Die sogenannte Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent. Weil sich diese Batteriealternative auch durch eine hohe Sicherheit auszeichne, sei den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm auch noch ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen.

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