ETH: Doppelte Energiedichte dank Lithium-Metall-Batterien

Im Gegensatz zur klassischen Lithium-Ionen-Batterie besteht bei der Lithium-Metall-Batterie die Anode nicht aus Graphit, sondern aus Lithium-Metall. Ein flüssiger Elektrolyt trennt Anode und Kathode. Beim Laden wandern positiv geladene Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Wenn die Lithium-Ionen die Anode erreichen, verlieren sie ihre positive Ladung und bilden Lithium-Metall. Die Energiedichte einer Lithium-Metall-Batterie soll doppelt so hoch sein wie bei den bisher eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Problem: Sie sind nicht gerade stabil. Damit es nicht schon nach wenigen Ladezyklen zu Kurzschlüssen und Bränden kommt, müssen dem Elektrolyten fluorhaltige Lösungsmitteln und Salze zugesetzt werden.  

Maria Lukatskaya, ETH-Professorin für Elektrochemische Energiesysteme, und ihr Team haben einen Weg gefunden, um die Fluormenge in den Lithium-Metall-Batterien drastisch zu reduzieren. Dadurch sollen die Batterien nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch stabiler und kostengünstiger werden.

Ohne Zusätze würden sich normalerweise Spitzen aus Lithium-Metall bilden, sogenannte Dentriten. Diese können die Trennmembran zerstören und so einen Kurzschluss verursachen. Die Flourverbindungen sorgen für eine Art Schutzfilm. Den Forschenden der ETH gelang es nun, eine stabile Schutzschicht mit deutlich weniger Flour zu erzeugen. Sie setzen auf die Kraft der elektrostatischen Anziehung. Elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle dienen als Vehikel, um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen. So könnte man mit einem Zusatz von 0,1 Massenprozent Flour im Elektrolyten auskommen. Bisher war es mindestens zwanzig mal so viel.

Eine der größten Herausforderungen sei es gewesen, das richtige Molekül zu finden, an das Fluor angehängt werden kann. Das Molekül soll sich das Flour nicht nur transportieren, sondern sich auch wieder zersetzen, wenn es die Elektrode erreicht hat. Die nun gefundene Elektrode lasse sich nahtlos und in den bestehenden Produktionsprozess integrieren, heißt es vom ETH.

Bisher experimentierten die Forschenden allerdings mit einer Batterie in der Größe einer Knopfzelle. Als nächstes steht also das Skalieren an – zunächst auf die Größe einer Pouch-Zelle, wie man sie in Smartphones verwendet. Bis die neue Batterie mit ihrer hohen Energiedichte die Reichweite für Elektroautos erhöht, wird also noch etwas Zeit vergehen.

An neuen Batteriematerialien forschen viele Unternehmen und Institute. Ein anderes Beispiel sind Anoden mit Schwefel, die ebenfalls für eine höhere Energiedichte der Batterie sorgen sollen.

Quelle: ETH | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH