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KIT präsentiert Lithium-Metall-Batterie mit hoher Energiedichte

Karlsruher Forscher kombinieren nickelreiche Kathode mit ionischem Flüssigelektrolyt (ILE)

Forschende des KIT haben eine viel versprechende Lithium-Metall-Zelle konstruiert

Stefan Leichsenring Stefan Leichsenring

Von: Stefan Leichsenring

16. Aug. 2021 um 13:49 Uhr

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Eine extrem hohe Energiedichte bei hoher Zyklenfestigkeit bieten soll eine neue Lithium-Metall-Batteriezelle des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Der Akku kombiniert eine nickelreiche Kathode mit einer Lithium-Metall-Anode und einem flüssigen Elektrolyt.

Über die neue Zelle berichten nun Forschende des Helmholtz-Institut Ulm (HIU), das vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründet würde. Die Veröffentlichung erschien im Magazin Joule.

Lithium-Metall-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, das heißt, sie speichern viel Energie pro Masse bzw. Volumen. Doch meist ist die Stabilität gering: Schon nach relativ wenigen Lade-Entlade-Zyklen reagieren die Elektrodenmaterialien mit dem Elektrolyten.

Eine Lösung wurde nun am KIT und am HIU gefunden. Anders als zum Beispiel der VW-Partner Quantumscape verwenden sie keinen festen Elektrolyten, sondern einen flüssigen. Als Kathode wird eine NCM88-Schichtelektrode mit der chemischen Zusammensetzung LiNi0,88Co0,09Mn0,03O2 verwendet. Wie man an der Formel sieht, enthält sie sogar noch mehr Nickel als eine gängige NCM811-Kathode (LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2). So ergibt sich eine besonders hohe Energiedichte.

Als Elektrolyten wird in konventionellen Lithium-Ionen-Akkus oft eine Mischung aus dem Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und den organischen Lösungsmitteln Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) im Verhältnis 1:1 verwendet, das im Handel LP30 heißt. Mit diesem Elektrolyten lässt die Speicherkapazität aber schon nach wenigen Ladezyklen nach.

Auch hier sind Reaktionen zwischen Elektrode und Elektrolyt schuld: Laut HIU-Chef Stefano Passerini entstehen Partikelrisse an der Kathode, an denen der Elektrolyt angreift und so die Struktur zerstört. "Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode", so Passerini.

Die Forschenden verwendeten daher einen ionischen Flüssigelektrolyten (ionic liquid electrolyte, ILE) mit zwei Anionen, bei dem sich die Strukturveränderungen an der Kathode eindämmen lassen. Die genaue Zusammensetzung des ILE ist kompliziert, sie geht aber aus der Originalveröffentlichung hervor. 

Lithium-Metall-Akku des KIT

Mit dem ILE lässt die Speicherkapazität deutlich weniger nach als mit LP30. Sie beträgt auch noch nach 1.000 Ladezyklen noch 88 Prozent.

Die Lithium-Metall-Batterie bietet eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Die Speicherkapazität beträgt anfangs 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g). Nach 1.000 Ladezyklen bleiben davon noch 88 Prozent erhalten.

Die so genannte 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 damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen, so die Forschenden aus Karlsruhe und Ulm.

Mehr zu Lithium-Metall-Akkus:

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Quelle: KIT

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