Lithium-Metall-Batterien: Ein vielversprechender Fortschritt
Lithium-Metall-Batterien gelten als vielversprechende Kandidaten der nächsten Generation von Hochenergie-Batterien. Sie können mindestens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die derzeit weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Dies bedeutet, dass ein Elektroauto mit einer einzigen Ladung doppelt so weit fahren kann oder ein Smartphone seltener aufgeladen werden muss.
Derzeit gibt es jedoch einen entscheidenden Nachteil: Der flüssige Elektrolyt erfordert die Zugabe erheblicher Mengen an fluorierten Lösungsmitteln und Salzen, was deren Umweltbelastung erhöht. Ohne Fluor wären Lithium-Metall-Batterien instabil, würden nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionieren und wären anfällig für Kurzschlüsse sowie Überhitzung und Entzündung. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Maria Lukatskaya, Professorin für elektrochemische Energiesysteme an der ETH Zürich, hat nun eine Methode entwickelt, die die benötigte Menge an Fluor drastisch reduziert. Dies macht sie umweltfreundlicher, stabiler und kosteneffizienter.
Eine stabile Schutzschicht erhöht die Sicherheit und Effizienz
Die fluorierten Verbindungen im Elektrolyt helfen dabei, eine Schutzschicht um das metallische Lithium an der negativen Elektrode zu bilden.
„Diese Schutzschicht kann mit dem Zahnschmelz verglichen werden“,
erklärt Lukatskaya.
„Sie schützt das metallische Lithium vor kontinuierlichen Reaktionen mit Elektrolytkomponenten.“
Ohne diese Schutzschicht würde der Elektrolyt während des Zyklus schnell verbraucht, die Zelle würde ausfallen und es würden sich anstelle einer gleichmäßigen flachen Schicht sogenannte Lithium-Metall-Whisker – ‘Dendriten’ – bilden.
Wenn diese Dendriten die positive Elektrode berühren, würde dies einen Kurzschluss verursachen, mit dem Risiko, dass sich die Batterie so stark erwärmt, dass sie sich entzündet. Die Fähigkeit, die Eigenschaften dieser Schutzschicht zu kontrollieren, ist daher entscheidend für die Batterieleistung. Eine stabile Schutzschicht erhöht die Effizienz, Sicherheit und Lebensdauer der Batterie.
Minimierung des Fluorgehalts
„Die Frage war, wie man die Menge an zugefügtem Fluor reduzieren kann, ohne die Stabilität der Schutzschicht zu beeinträchtigen“,
sagt Doktorand Nathan Hong. Die neue Methode des Teams nutzt elektrostatische Anziehung, um die gewünschte Reaktion zu erzielen. Hier dienen elektrisch geladene fluorierte Moleküle als Vehikel, um das Fluor zur Schutzschicht zu transportieren. Dies bedeutet, dass nur 0,1 Gewichtsprozent Fluor im flüssigen Elektrolyt benötigt werden, was mindestens 20-mal weniger ist als in früheren Studien.
Optimierte Methode macht Batterien umweltfreundlicher
Die Forschungsgruppe der ETH Zürich beschreibt die neue Methode und ihre zugrunde liegenden Prinzipien in einem kürzlich in der Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlichten Artikel. Es wurde ein Patent angemeldet.
Eine der größten Herausforderungen bestand darin, das richtige Molekül zu finden, an das Fluor gebunden werden konnte und das sich auch wieder unter den richtigen Bedingungen zersetzen würde, sobald es das Lithium-Metall erreicht hatte. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist, dass sie nahtlos in den bestehenden Batterieproduktionsprozess integriert werden kann, ohne zusätzliche Kosten für eine Umstellung der Produktion zu verursachen. Die im Labor verwendeten Batterien hatten die Größe einer Münze. Im nächsten Schritt planen die Forschenden, die Skalierbarkeit der Methode zu testen und sie auf Pouch-Zellen anzuwenden, wie sie in Smartphones verwendet werden.
