Derzeit stellen Lithium-Ionen-Batterien die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung dar. Die Technologie stößt jedoch bei manchen Anforderungen an ihre Grenzen. Dies gilt besonders für die Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind. Als Alternative bieten sich laut Wissenschaftlern vom KIT und HIU Lithium-Metall-Batterien an: Denn sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse. Allerdings stellt ihre Stabilität noch eine Herausforderung dar, weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren.
Forscher am Karlsruher Institut für Technologie, kurz KIT, und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung, kurz HIU, haben dafür nun eine Lösung gefunden. Wie sie im Magazin Joule berichten, setzen sie eine vielversprechende neue Materialkombination ein. Sie verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (genauer: NCM88). Diese bietet eine hohe Energiedichte.
Kapazität von 88 Prozent nach 1.000 Ladezyklen
Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) lässt die Stabilität allerdings zu wünschen übrig. Die Speicherkapazität sinkt mit steigender Zahl der Ladezyklen. „Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode. Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur. Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode“, erklärt Professor Stefano Passerini. Er ist Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien. Die Forscher verwendeten stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen. So ließen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen.
Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichnet, ist den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen. Denn die Lithium-Metall-Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem neuen Elektrolyten eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm. Über 1 000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. (nhp)
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