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Hochleistungsbatterien Materialmix mit Perowskit-Kristallstruktur pusht Batterieeffizienz

| Redakteur: Peter Königsreuther

Zukünftige Hochleistungsbatterien können laut Aussage des KIT aus Karlsruhe durch einen pfiffigen Mix aus Lithium, Lanthan und Titanat mit besonderer Kristallstruktur. Lesen Sie, was damit geht...

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Neue Materialien sollen Hochleistungs-Batteriezellen sicherer und effiizienter machen. Zum Beispiel per Lithium-Lanthan-Titanat-Mix mit sogenannter Perowskit-Kristallstrukur (LLTO).
Neue Materialien sollen Hochleistungs-Batteriezellen sicherer und effiizienter machen. Zum Beispiel per Lithium-Lanthan-Titanat-Mix mit sogenannter Perowskit-Kristallstrukur (LLTO).
(Bild: IAM / KIT)

Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt, und zeitgleich wächst der Bedarf an smarten Stromnetzen für eine nachhaltige Energieversorgung. Diese und weitere mobile und auch stationäre Energiegaranten brauchen aber geeignete Batterien, um sicher zu funktionieren.

Möglichst viel Energie auf möglichst kleinem Raum bei möglichst geringem Gewicht zu speichern – so lautet die Anforderung an Lithium-Ionen-Batterien (LIB), die das nach wie vor am besten können, heißt es.

Nun gibt es ein vielversprechendes Anodenmaterial für die Hochleistungsbatterien der Zukunft, das Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Jilin-Universität in Changchun (China) untersuchen. Es handelt sich um einen Materialmix des Typs Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO).

Pseudoaktives LLTO sticht bisherige Anodenmaterialien aus

Anoden in üblichen LIB, erklären die Forscher, bestehen aus einem Stromableiter und einem darauf fixierten Aktivmaterial, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Als Aktivmaterial dient vor allem Graphit. Negativ geladene Elektroden aus Graphit kranken aber an einer zu niedrigen Laderate, heißt es weiter. Auch in puncto Sicherheit ließen sie zu wünschen übrig.

Unter den alternativen Aktivmaterialien wurde Lithium-Titanat-Oxid (LTO) bereits kommerzialisiert. Negative Elektroden mit LTO haben nun höhere Laderaten und gelten als sicherer. Doch haben LIB mit LTO-Anoden tendenziell eine niedrigere Energiedichte, schränken die KIT-Forscher ein.

Schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur aus Lithium-Lanthan-Titanat. Das Material verspricht viel Verbesserungspotenzial als Anodenwerkstoff für künftige Hochleistungsbatterien.
Schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur aus Lithium-Lanthan-Titanat. Das Material verspricht viel Verbesserungspotenzial als Anodenwerkstoff für künftige Hochleistungsbatterien.
(Bild: Fei Du / Jilin-Universität)

Wie das Team um Prof. Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) des KIT berichtet, kann das Mischmaterial LLTO die Energie- und die Leistungsdichte, die Laderate, die Sicherheit und die Lebensdauer von Batterien verbessern, ohne dass eine Verkleinerung der Partikel von der Mikrometer- auf die Nanometerskala erforderlich ist, um die Laderate zu erhöhen – so bleiben sie günstig herstellbar. Denn LLTO hat, wie man glaubt, pseudoaktive Eigenschaften. Durch diese lagern sich einzelne Elektronen und Ionen, die schwach miteinander verbunden sind, an die Anode an. So können reversible Ladungen an Letztere übergeben werden.

LLTO-Anoden weisen außerdem ein niedrigeres Elektrodenpotenzial auf, wodurch sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen lassen. „Zellspannung und Speicherkapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie“, erklärt Ehrenberg.

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