Technologie

Mehr Hoffnung für Lithium-Metall-Batterietechnologie 2021

Auch wenn es derzeit scheinbar keine Alternativen gibt, ist Lithium-Ionen nicht die einzige Batterietechnologie in der Stadt. Aluminium-Luft und Lithium-Schwefel sind zwei vielversprechende Bereiche, ebenso wie die Lithium-Metall-Technologie.

Selbst wenn Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien kommen, und das scheint noch ein paar Jahre zu dauern, wird die Energiedichte nicht in die Höhe schnellen. Und damit Elektroflugzeuge wirklich Fuß fassen können, müssen sie weitaus größere Distanzen fliegen können als aktuelle Beispiele (nicht viel mehr als eine Stunde).

Gleiches gilt für Elektroautos: Die Reichweite verbessert sich, aber nicht zu schnell, weil die aktuelle Lithium-Ionen-Technologie ständig angepasst wird. Was benötigt wird, ist eine viel größere Energiedichte, ohne die Batterien zusätzlich zu belasten.

Und Forscher suchen nach anderen oder verbesserten Technologien. Eine Gruppe des Karlsruher Instituts für Technologie und des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) in Deutschland hat eine Lithium-Metall-Batterie mit einer Energiedichte entwickelt, die etwa doppelt so hoch ist wie die der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie, die den Richtwert von 500 Wh/kg (angeblich das Minimum für elektrische) deutlich übertrifft Autos der Zukunft). Darüber hinaus behält es seine Leistung über Hunderte von Lade- und Entladezyklen bei.

In einer Lithium-Metall-Batterie wird die Graphitelektrode durch reines Lithium-Metall ersetzt, das bis zu 10-mal so viel Energie speichern kann. Stabilitätsprobleme haben die Prototypen bisher jedoch heimgesucht, hauptsächlich aufgrund von unerwünschten Reaktionen zwischen der Elektrolytlösung, die die Lithiumionen transportiert, und der Kathode und Anode der Batterie.

Das deutsche Team hat verschiedene Elektrolytlösungen ausprobiert, um die Wechselwirkungen zu überwinden. Sie fanden einen vorzeitigen Abbau der Energiespeicherung, Kathodenrisse oder das Wachstum einer dicken lithiumreichen Schicht auf der Anode mit handelsüblichen Elektrolytlösungen.

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So entwickelten sie schließlich einen eigenen Elektrolyten, den man als „nichtflüchtiger, leicht entzündlicher, dual-anionischer ionischer flüssiger Elektrolyt (ILE)“ bezeichnete, der die bekannten Probleme weitgehend löste.

Die Lithium-Metall-Batterie mit dieser neuen Architektur erreicht eine Energiedichte von 560 Wh/kg, ungefähr das Doppelte der aktuellen Technologie.

Die frühe Lithium-Metall-Batterietechnologie erreichte eine Energiedichte von 350 Wh/kg und behielt 76 Prozent der Kapazität über 600 Zyklen. Die deutsche Batterietechnologie behielt über 1000 Zyklen 88 Prozent der Energiedichte bei.

Um kommerziell nutzbar zu sein, muss der Transfer von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode mindestens 99,9 Prozent effizient sein, und die deutschen Forscher berichten, dass die Lithium-Metall-Batterie einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 99,94 Prozent hat.

Eine Gruppe der Harvard University berichtet in ähnlicher Weise, eine Lithium-Metall-Batterie mit hoher Energiedichte herzustellen, die für kommerzielle Anwendungen ausreichend stabil ist. Die Harvard-Batterie verwendet ein mehrschichtiges Design, bei dem der Elektrolyt zwischen stabilen Festelektrolyten eingebettet ist. Dies würde Risse in den Zellen verhindern. Das Team glaubt, dass dieses Design mindestens 10.000 Mal sicher gefahren werden kann, was bedeutet, dass ein Akku so lange halten kann wie ein Benzinmotor. Sie fügen hinzu, dass das mehrschichtige Design mit Massenproduktionsverfahren kompatibel sein kann und schnelles Laden ermöglicht.

Eine stabile Batterie, die sich schnell aufladen lässt und etwa die doppelte Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkupacks bietet, ist für den Elektroverkehr vielversprechend und könnte das uralte Problem der Reichweitenangst beseitigen.

Verena Holland

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