Höhere Kapazität und Sicherheit durch anodenlosen Zellaufbau

Autor: Dr. Matthias Augustin

Veröffentlicht am: 07.11.2019

Die Anwendbarkeit aktueller Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität krankt derzeit hauptsächlich an der relativ geringen spezifischen Kapazität des Anodenmaterials Graphit, wodurch nur geringe Reichweiten mit einem Elektrofahrzeug erzielt werden. Deshalb wurde die Forschung und Entwicklung der letzten Jahre auf die Untersuchung von Ersatzmaterialien wie z.B. Lithium-Silizium-Legierungen fokussiert.

Die kanadische Forschergruppe um Jeffery Dahn berichtete nun in der Fachzeitschrift Nature Energy über die Behebung dieser Nachteile kommerzieller Batterien auf Laborebene. Sie entfernten die Anode aus dem üblichen Batteriezellaufbau und untersuchten die Lebensdauer dieser Batterien bei gleichzeitiger Druckausübung auf die Zell-Stacks. In dem Aufbau ohne Anode wurden die bei Ladung von üblichen Batterien mit Graphitanoden zwischen die Graphitschichten einlagernden Lithium-Ionen nun direkt als Film auf der Kupfer-Ableiterfolie der (bisherigen) Anodenseite abgeschieden.Zwar wurde das anodenlose Batteriekonzept schon von anderen Gruppen untersucht, jedoch nie in großformatigen Pouch-Bag-Zellstacks mit NMC als Kathodenmaterial und relativ hoher Einzelzell-Kapazität. Die bisherige Forschung auf diesem Gebiet umfasste Dünnschichtbatterien mit geringer Lade-Stromdichte und Knopfzellen mit niedriger Gesamtkapazität, die bereits nach 40 Zyklen nur noch 80% ihrer anfänglichen Kapazität aufwiesen.Die Versuche von Dahns Gruppe hingegen ergaben eine Zyklenstabilität der Pouch-Bag-Zellen von 80% über 90 Zyklen in einem sehr anwendungsnahen System mit vergleichsweise wenig Flüssigelektrolyt – durch. Diese Werte wirken auf den ersten Blick nicht sehr beeindruckend, sind jedoch bereits ein Quantensprung verglichen mit den bisherigen anodenlosen Dünnschichtbatterien und Knopfzellen.Der Grund für den Anstieg in der Performance ist der auf den Stack ausgeübte Druck, der die Bildung von Lithium-Clustern auf der Kupferfolie verhindert, wodurch Nebenreaktionen des hochreaktiven Lithiums mit dem verwendeten Elektrolyten verringert werden und die Zelleffizienz steigt. Die immer noch geringe Zyklenzahl ist auf Zersetzungsreaktionen des Li-Ionen-Leitsalzes im Elektrolyten und damit einhergehende Gasentstehung zurückzuführen. Somit besteht die Möglichkeit, durch den Einsatz alternativer Elektrolyt-Leitsalze die Zyklisierbarkeit des Systems zu verbessern.

Mit diesen Ergebnissen zeigt die kanadische Forschergruppe eine weitere Möglichkeit auf, die Gesamtkapazität von kommerziellen Li-Ionen-Batterien zu erhöhen und gleichzeitig das Sicherheitsrisiko einer metallischen Lithium-Anode zu vermeiden, wobei eine Steigerung der bisher nur geringen Zyklenstabilität über eine Anpassung der Elektrolytkomponenten erreicht werden kann.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0428-9

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0449-4

http://jes.ecsdl.org/content/147/2/517

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201602353