CATL hält Salzgehalt in Li-Metal-Akkus für elementar
Die von CATL entwickelten Lithium-Metall-Batterien sollen eine Energiedichte von 500 Wh/kg aufweisen und auf eine Lebensdauer von 483 Zyklen kommen – letzteres sei doppelt so viel wie bei früheren Prototypen, teilt der Konzern mit und wertet dies als „bedeutenden Schritt in Richtung Marktreife für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Elektroflugzeuge“. Besonders in den Fokus nahmen die Forscher dabei den Elektrolyt der Lithium-Metall-Batterie und noch konkreter: die Konzentration von LiFSI-Salz über die Lebensdauer des Akkus hinweg. Dazu gleich mehr.
Zunächst zur Einordnung: Bei Lithium-Metall-Batterien wird das Anodenmaterial auf Graphitbasis durch Lithiummetall ersetzt, wodurch Gewicht und Volumen der Anode reduziert und die Lade- und Entladeeffizienz verbessert werden. Lithium-Metall-Batterien warten mit einer höheren Energiedichte und mehr Sicherheit auf als Lithium-Ionen-Akkus, ihre Kommerzialisierung scheitert bisher aber unter anderem an der Neigung, Dendriten zu bilden. Auch Korrosion innerhalb der Batterie und die Skalierung der Produktion gelten als Probleme.
CATL hat seine Ergebnisse nun im Fachmedium „Nature Nanotechnology“ unter dem Lang-Titel „Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries“ veröffentlicht. Darin legt der Hersteller dar, dass sich bisherige Forschungsarbeiten in diesem Bereich vor allem auf die Optimierung der Solvatationsstrukturen oder des Festkörper-Elektrolyts fokussiert haben. „Diese Ansätze beeinträchtigten jedoch häufig die Lebensdauer und führten nicht zu kommerziell tragfähigen Lösungen“, resümiert CATL. Bisher sei die Forschung daran gescheitert, den Verbrauch von aktivem Lithium und Elektrolyt-Komponenten während des Zyklus genau zu quantifizieren, weshalb auch der Grund für den schnellen Verschleiß von Lithium-Metall-Akkus bisher unklar blieb.
CATL gibt an, eine Reihe von Analyseverfahren entwickelt und verfeinert zu haben, wodurch nun sichtbar geworden sei, dass „im Gegensatz zu früheren Annahmen die Hauptursache für das Versagen der Zelle nicht der Zusammenbruch des Lösungsmittels, die Anhäufung von totem Lithium oder die Störung der Solvatationsumgebung ist, sondern der kontinuierliche Verbrauch des Elektrolytsalzes LiFSI“. Dieses sei am Ende der Batterie-Lebensdauer zu 71 Prozent verbraucht. Diese Ergebnisse unterstreichen laut CATL die Notwendigkeit, „die Haltbarkeit des Elektrolyten als kritischen Faktor für eine dauerhafte Leistung zu berücksichtigen“.
Die Forschungsarbeiten fanden im 21C Lab von CATL statt – eine unternehmensinterne Einrichtung, die sich auf die Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation konzentriert. „Wir haben eine wertvolle Gelegenheit gesehen, die Lücke zwischen akademischer Forschung und ihrer praktischen Anwendung in kommerziellen Batteriezellen zu schließen“, sagt Ouyang Chuying, Co-Präsident für Forschung und Entwicklung bei CATL und stellvertretender Direktor des 21C Lab. „Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass der Verbrauch von LiFSI-Salz und vor allem die Gesamtsalzkonzentration eine grundlegende Determinante für die Langlebigkeit von Batterien ist.“
CATL gibt an, im Jahr 2024 insgesamt rund 18,6 Milliarden Yuan (rund 2,28 Milliarden Euro) in Forschung und Entwicklung investiert zu haben. Das Batterie-Unternehmen verfügt eigenen Angaben zufolge über mehr als 43.000 Patente, die weltweit erteilt wurden oder beantragt sind.
Bei der Erforschung von Lithium-Metall-Batterien gibt’s allerdings starke Konkurrenz. So meldete jüngst auch ein Forscherteam des südkoreanischen Batterieherstellers LG Energy Solution und des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) neue Fortschritte bei der Entwicklung solcher Akkus – und zwar unter Verwendung eines flüssigen Elektrolyten auf Borat-Pyran-Basis.
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