Lithium-Metall-Batterie mit hoher Energiedichte und guter Stabilität

12.08.2021 / Solarserver / /
Zu sehen sind zwei Forschende im Labor bei der Entwicklung einer neuartigen Lithium-Metall-Batterie.Foto: Amadeus Bramsiepe / KIT
Shooting für die Exzellenzinitiative mit Prof. Dr. Stefano Passerini und Yanjiao Ma Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien Energiespeicherung jenseits von Lithium – Neue Konzepte für eine nachhaltige Zukunft Die erfolgreiche Realisierung der Energiewende erfordert neue Materialien und Technologien für die Speicherung von Elektrizität. In dem gemeinsam von KIT und Universität Ulm beantragten Exzellenzcluster „Energy Storage Beyond Lithium“ arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Elektrochemie, Materialwissenschaften, theoretischer Modellierung und Ingenieurwissenschaften in einem multidisziplinären Ansatz zusammen. Zentrales Ziel des Clusters ist es, ein fundamentales Verständnis der elektrochemischen Energiespeicherung in neuartigen Systemen zu erarbeiten, grundlegende Materialeigenschaften mit kritischen Leistungsparametern zu verbinden und so die Grundlagen für die praktische Nutzung von Post-Lithium-Technologien zu schaffen. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und die Justus-Liebig-Universität Gießen sind weitere Partner im Antrag. © copyright by Karlsruher Institut für Technologie Allgemeine Services - Crossmedia Abdruck honorarfrei im redaktionellen Bereich Belegexemplar erbeten *** Local Caption *** Shooting für Mit einer vielversprechenden Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen Prof. Dr. Stefano Passerini und Yanjiao Ma eine sehr hohe Energiedichte möglich machen.
Forschende vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) haben mit einer nickelreichen Kathode und einem ionischen Flüssigelektrolyt eine vielversprechende Lithium-Metall-Batterie entwickelt.

Die Lithium-Metall-Batterie zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus. Das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse und Volumen. Doch ihre Stabilität stellt eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren.

Eine vielversprechende neue Materialkombination haben nun Forscher:innen von KIT und HIU gefunden. 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 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 Kathode.“ 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“, berichtet Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

Neue Lithium-Metall-Batterie schafft 88 Prozent Kapazität nach über 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. Sie weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm 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 auszeichnen soll, glauben die Forschenden aus Karlsruhe und Ulm, dass ihnen damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen ist.

12.8.2021 | Quelle: KIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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