E-Autos: Forscher präsentieren rekordverdächtige Lithium-Metall Batterie

© KIT, Karlsruhe

Karlsruhe – Lithium-Ionen Batterien stellen derzeit noch die gängigste Lösung für die mobile Stromversorgung dar. Diese Technologie stößt jedoch bei manchen Anforderungen wie bei E-Autos an Grenzen. Die Suche nach Alternativen läuft weltweit auf Hochtouren, auch in Deutschland.

Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) präsentieren jetzt eine Lösung, mit der die Stabilität von Lithium-Metall Batterien so verbessert wird, dass sie eine echte Alternative zu den herkömmlichen Lithium-Ionen Batterien in der Elektromobilität darstellen können.

Das bisherige Problem der Lithium-Metall Batterien – hohe Energiedichte, geringe Stabilität
Lithium-Ionen Batterien werden in der mobilen Stromversorgung fast überall eingesetzt. Doch besonders für die Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind, werden sehr hohe Energiedichten benötigt. Als Alternative zu Lithium-Ionen bieten sich Lithium-Metall Batterien an: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse bzw. Volumen. Doch ihre Stabilität stellt bisher eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen reagieren. Forschende aus Karlsruhe und Ulm haben eine Lösung gefunden.

Lithium-Metall Batterie: neuer Flüssigelektrolyt bringt Durchbruch
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. Statt der üblichen organischen Elektrolyten, die bisher zu Zerstörungen an der Kathode führten, verwendeten die Forschenden 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.

Lithium-Metall Batterie mit rekordverdächtiger Energiedichte von 560 Wh/kg
Die Ergebnisse können sich sehen lassen: Die Lithium-Metall Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine rekordverdächtige Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), teilten die Institute mit. Anfänglich weist die Batterie eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf, nach über 1 000 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 nach eigenen Angaben „damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen.“