KIT und Helmholtz-Institut Alternative zu Lithium-Ionen? Forscher entwickeln rekordverdächtige Batterie

Redakteur: Peter Königsreuther

In aktuellen Elektroautos kommen vor allem Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Bei immer weiter steigenden Anforderungen etwa an die Reichweite dürften diese aber an ihre Grenzen kommen. Forschern zweier renommierter deutscher Institute könnte auf der Suche nach einer Alternative nun ein Durchbruch gelungen sein.

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Forschende am HIU in Ulm und am KIT in Karlsruhe entwickeln eine Batterie, deren Energiedichte rekordverdächtige 560 Wattstunden pro Kilogramm betragen soll.
Forschende am HIU in Ulm und am KIT in Karlsruhe entwickeln eine Batterie, deren Energiedichte rekordverdächtige 560 Wattstunden pro Kilogramm betragen soll.
(Bild: KIT)

Lithium-Ionen-Batterien sind aktuell beispielsweise in Elektroautos das Mittel der Wahl. Die Technik stoße aber bei mancher Anforderung an ihre Grenzen, warnen Experten. Gerade bei der Elektromobilität sind leichte, kompakte Fahrzeuge mit hoher Reichweite gefragt.

Eine Alternative könnten Lithium-Metall-Batterien sein. Sie zeichne sich durch eine hohe Energiedichte aus. Heißt: Eine solche Batterie speichert viel Energie pro Kilogramm respektive Volumeneinheit. Probleme bereitete dabei bislang vor allem die Stabilität. Diese wird beeinträchtigt, da die Elektrodenmaterialien mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen chemisch reagieren.

Eine mögliche Lösung des Problems verkündeten nun das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU). Die Forscher berichten gar von einem neuen Rekord bei der Energiedichte mit 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg).

Auch ansonsten lesen sich die Daten beeindruckend: Die Batterie weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) auf. Nach über 1.000 Ladezyklen bleibe immer noch eine Kapazität von 88 Prozent erhalten. Die sogenannte Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent.

Worauf die Forscher setzen

Weil sich diese Batteriealternative auch durch eine hohe Sicherheit auszeichne, sei den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm auch noch ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen, heißt es.

Wie ist den Forschern das gelungen? Sie verwendeten eine kobaltarme aber nickelreiche Schichtkathode (NCM88). Diese ist für die hohe Energiedichte verantwortlich. In Kombination mit den herkömmlichen organischen Elektrolyten (LP30) ließe die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig. Denn die Speicherkapazität sinkt mit steigender Zahl der Ladezyklen.

Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) sollen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden lassen. Die Kapazität der Batterie bleibe über 1.000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten, sagen die Forscher.
Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) sollen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden lassen. Die Kapazität der Batterie bleibe über 1.000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten, sagen die Forscher.
(Bild: KIT)

Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien, erklärt: „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 aus, wie es weiter heißt.

Die Forschenden setzten deshalb auf einen schwer flüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten mit zwei Anionen (ILE). „Damit lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode stark eindämmen“, erläutert Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

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