HIU-Forscher präsentieren „rekordverdächtige“ Lithium-Metall-Batterie

Ein Forscherteam des Helmholtz-Institut Ulm hat eine neuartige Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die eine extrem hohe Energiedichte bei „bemerkenswert guter Stabilität“ bieten soll. Letzteres haben die Forschenden nach eigenen Angaben mit einem neuen Elektrolyt erreicht.

Die Vorteile von Lithium-Metall-Batterien sind bekannt: Hohe Energiedichten ermöglichen im Elektroauto mehr Reichweite bei gleichem Batteriegewicht oder deutlich kleinere Batterien bei gleicher Reichweite. Da die Elektrodenmaterialien aber mit herkömmlichen Elektrolyten reagieren, haben diese Batterien schnell an Kapazität verloren.

Die Forschenden am Helmholtz-Institut Ulm, das im Jahr 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Kooperation mit der Universität Ulm gegründet wurde, haben nach eigenen Angaben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Ihre Lithium-Metall-Batterie soll auf eine Energiedichte von 560 Wh/kg auf Zellebene kommen und nach 1.000 Zyklen noch 88 Prozent der anfänglichen Kapazität aufweisen.

Laut einem Artikel, den das Forscherteam im Fachmagazin „Joule“ veröffentlicht haben, wurden diese Ergebnisse mit einer „vielversprechenden neuen Materialkombination“ erzielt. Für die hohe Energiedichte wurde eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (NCM88) eingesetzt. Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) war die Stabilität nicht gut – nach 1.000 Zyklen wies die Zelle nur noch 36,9 Prozent der Kapazität auf.

„Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode“, erklärt Stefano Passerini, Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien. „Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur. Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode.“

Im Rahmen der Arbeiten ersetzten die Forschenden den LP30-Elektrolyt durch einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). „Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, sagt Guk-Tae Kim aus der Forschungsgruppe von Professor Passerini.

Das Ergebnis: Mit der Kombination ais dem ILE-Elektrolyt und der NCM88-Kathode kam die Zelle auf eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g). Nach 1.000 Lade- und Entlade-Zyklen bliebt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. Da die Batterie wegen des nicht entflammbaren Elektrolyten auch sicherer sei, bezeichnen die Forschenden ihre Entwicklung als „wesentlichen Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität“.

Weitere Angaben zu einem möglichen Einsatz dieser Batteriezellen, den weiteren Schritten auf dem Weg zur Serienreife oder Pläne zur Skalierung macht das KIT in der Mitteilung nicht.
kit.edu (Mitteilung), doi.org (Joule-Artikel)