Eine hohe Energiedichte von 560 Wh/kg bei guter Stabilität bietet eine neuartige Lithium-Metall-Batterie. Dafür haben Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Kooperation mit dem neu gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) eine 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.
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.
Suche nach Alternativen
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.
Eine Lösung haben nun Forscher am KIT und am HIU gefunden. Sie setzen eine neue Materialkombination ein. Die Wissenschaftler verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode. Diese bietet eine hohe Energiedichte. Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten 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 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.“
Die Forscher verwendeten 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.
Viel Kapazität bleibt erhalten
Als Ergebnis der Versuche kam heraus, dass die Lithium-Metall-Batterie mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wh/kg erreicht. Sie weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 mAh/g auf. Die Kapazität bleibt über 1.000 Ladezyklen 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 Forschern aus Karlsruhe und Ulm damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen.
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