Rekordverdächtige Lithium-Metall-Batterie

Werkstoffe 06. 11. 2021
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Nickelreiche Kathode und ionischer Flüssigelektrolyt ermöglichen extrem hohe Energiedichte bei guter Stabilität

Eine extrem hohe Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm bei bemerkenswert guter Stabilität bietet eine neuartige Lithium-Metall-Batterie. Dafür haben Forschende am vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) eine vielversprechende Kombination aus Kathode und Elektrolyt eingesetzt: Die nickelreiche Kathode erlaubt, viel Energie pro Masse zu speichern, der ionische Flüssigelek­trolyt sorgt dafür, dass die Kapazität über viele Ladezyklen weitestgehend erhalten bleibt. Über die rekordverdächtige Lithium-Metall-Batterie berichtet das Team im Magazin Joule.

Derzeit sind Lithiumionenbatterien die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung. 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 Lithium-Metall-Batterien an: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse beziehungsweise Volumen. Doch ihre Stabilität stellt eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren.

Mit einer vielversprechenden Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen Forschenden des HIU eine sehr hohe Energiedichte ermöglichen (Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT)

 

Eine Lösung haben nun Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gefunden. Wie sie im Magazin Joule berichten, setzen sie eine vielversprechende neue Materialkombination ein. Sie verwenden eine kobaltarme, nickel­reiche Schichtkathode (NCM88). Diese bietet eine hohe Energiedichte. Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) lässt die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig. Die Speicherkapazität sinkt mit steigender Zahl der Ladezyklen. Warum das so ist, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien: Im Elektro­lyten LP30 entstünden Partikelrisse an der Kathode. Innerhalb dieser Risse reagiere der Elektrolyt und zerstöre die Struktur. Zudem bilde sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode. Die Forschenden verwendeten daher stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen, berichtet Dr. Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

Kapazität über 1000 ­Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten

Die Ergebnisse: Die Lithium-Metall-­Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wh/kg. Sie weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 mAh/g auf; über 1000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten. Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent. 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.

Originalpublikation

Fanglin Wu, Shan Fang, Matthias Kuenzel, Angelo Mullaliu, Jae-Kwang Kim, Xinpei Gao, Thomas Diemant, Guk-Tae Kim, Stefano Passerini: Dual-anion ionic liquid electrolyte enables stable Ni-rich cathodes in lithium-metal batteries; Joule. Cell Press, 2021; doi: 10.1016/j.joule.2021.06.014

Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (r.) lassen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden (Bild: Fanglin Wu, Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU)

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