Optimierter Elektrolyt für Lithium-Metall-Batterien

Autor: Maximilian G.

Veröffentlicht am: 08.07.2020

Ein Wissenschaftlerteam der Stanford University hat einen Elektrolyt entwickelt, der den Weg zu neuen Batteriegenerationen weiter ebnen kann. In einer in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ vorgestellten Studie, zeigen die Forscher, wie ihr Elektrolytdesign die Leistung von Lithium-Metall-Batterien weiter verbessert.

Co-Autor der Studie Yi Cui, Professor für Materials science and engineering and of photon science des SLAC National Accelerator Laboratory, sagt: „Die meisten Elektrofahrzeuge nutzen einen Lithium-Ionen-Batterietyp der kurz davor steht sein theoretisches Limit zu erreichen. Unsere Studie hat sich daher auf Lithium-Metall-Batterien fokussiert, die leichter als heutige Lithium-Ionen-Batterien sind und mehr Energie pro Masse und Volumen bieten können“

Lithium-Metall-Batterien können in etwa zwei Mal mehr Energie speichern, als es der aktuelle Standard der Batteriezelltechnik schafft. Die verbesserte Speicherkapazität wird durch den Austausch von Graphit durch Lithium als Anodenmaterial erreicht und aufgrund der Tatsache, dass eine Lithium-Anode erheblich mehr Leistung speichert als eine kohlenstoffbasierte.

Immer wieder zentrale Herausforderung bei dieser vielversprechenden Technik ist jedoch, dass die Lithium-Anode mit dem Elektrolyten der Batteriezelle in kritischer weise reagiert. Die ungewünschte Interaktion aus Anode und Elektrolyten führt zur Ausbildung von Dendriten, welche den Separator der Zelle durchschlagen und so zum Versagen oder auch Brand der Zelle führen können. Für dieses Problem der Lithium-Metall-Batterie suchen Forscher weltweit und seit Jahren eine Lösung, während die Wissenschaftler der Standford University nun einen neuen Ansatz hierzu entwickelt haben.

Im Wesentlichen versuchten die Wissenschaftler die These zu bestätigten, dass eine Zugabe von Fluoratomen den Elektrolyten stabiler halten würde. Die gezielte Zugabe von Fluor, dass auch in gängigen Elektrolyten Anwendung findet, wurde in den Versuchen genutzt, um stabilere Li-Ionen Transportmoleküle zu schaffen. Es wurde so eine neue synthetische Verbindung, abgekürzt FDMB, erschaffen, die sich leicht in großen Mengen herstellen lässt.

Die ersten auf den optimierten Elektrolyten aufbauenden Ergebnisse waren äußerst vielversprechend. Den Forschern gelang es mit der neuen Zusammensetzung bis zu 90 % der Anfangsladung der Testzellen bei 420 Lade- und Entladezyklen zu halten, während Lithium-Metall-Batterien sonst in der Regel schon bei 30 Zyklen funktionsunfähig werden. Zudem stellte sich in Addition zur deutlich erhöhten Leistungsfähigkeit heraus, dass die Zellen eine erheblich geringere Neigung zum Entflammen zeigten.

Die Forschungsergebnisse stellen somit weitere interessante Entwicklungen im Bereich der Lithium-Metall-Batterie dar. Insgesamt zeigt sich, in weltweiten Forschungsbestrebungen, der Drang nach einer verbesserten Batterietechnologie immer ausgeprägter. Eine Lithium-Metall-Batterie mit effektiver Lösung zur Hinderung des Dendritenwachstums hat dabei gute Chance eine mögliche Batterietechnologie der nächsten Generation zu werden.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0634-5

https://www.saurenergy.com/ev-storage/new-battery-electrolyte-that-can-boost-performance-of-evs