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Batterietechnik Neue Technologie steigert Energiedichte von Li-Ionen-Batterien mit hohem Si-Anteil

Von Stefanie Eckardt 2 min Lesedauer

Asahi Kasei hat eine neuartige Prä-Lithiierungstechnologie für Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien mit siliziumbasierten Anoden entwickelt. Die Technologie ermöglicht den Einsatz von Lithiumcarbonat als zusätzliche Lithiumquelle bei niedrigeren Spannungen und reduziert damit irreversible Kapazitätsverluste, die in siliziumreichen Zellen typischerweise während des ersten Lade- und Entladezyklus auftreten.

Asahi Kasei hat eine neuartige Prä-Lithiierungstechnologie für Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien mit siliziumbasierten Anoden entwickelt. (Bild: WATA3 - stock.adobe.com)
Asahi Kasei hat eine neuartige Prä-Lithiierungstechnologie für Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien mit siliziumbasierten Anoden entwickelt.
(Bild: WATA3 - stock.adobe.com)

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen steigen die Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) in Bezug auf eine immer höhere Energiedichte. Vor diesem Hintergrund konzentrieren sich die Entwicklungsaktivitäten insbesondere auf den teilweisen Ersatz von Graphit durch siliziumbasierte Materialien in der Anode sowie auf die Erhöhung der Betriebsspannung von Kathodenmaterialien. Siliziumbasierte Anoden weisen jedoch während des ersten Ladevorgangs einen erheblichen irreversiblen Kapazitätsverlust auf. Das beeinträchtigt die Lebensdauer der Batterie und begrenzt die erreichbare Energiedichte. Um diesen Effekt auszugleichen, sind größere Mengen an aktivem Kathodenmaterial erforderlich, was wiederum den Materialeinsatz und damit die Kosten erhöht.

Kostengünstiges Lithiumcarbonat im Mittelpunkt

Als Alternative zu bestehenden Prä-Lithiierungsverfahren hat sich Asahi Kasei auf den Einsatz von Lithiumcarbonat konzentriert. Lithiumcarbonat ist kostengünstig und verfügt über eine etablierte Einsatzhistorie als Material für LIBs. Allerdings liegt die Zersetzungsspannung von Lithiumcarbonat deutlich oberhalb des nominalen Betriebsspannungsbereichs von LIBs, wodurch sich dessen Einsatz für die Prä-Lithiierung bislang als technisch schwierig erwiesen hat. Die von Asahi Kasei entwickelte Technologie nutzt spezielle Elektrolytadditive, die die Zersetzung von Lithiumcarbonat bereits innerhalb des typischen Spannungsbereichs konventioneller Lithium-Ionen-Batterien fördern. Während der ersten Ladung wird das Lithiumcarbonat gezielt zersetzt und stellt zusätzliches Lithium bereit. Der Einsatz dieses kostengünstigen Materials ermöglicht somit eine deutliche Steigerung der Energiedichte.

Höhere Energiedichte

Interne Tests mit einer Nickel-Mangan-Kobalt-Zelle mit einer Anode aus 90 Prozent Graphit und 10 Prozent Siliziummonoxid (SiO) zeigten eine Erhöhung der Energiedichte um 10 Prozent. Darüber hinaus verbessert die Technologie die Zyklenfestigkeit bei niedrigen Kosten pro Wattstunde, lässt sich ohne wesentliche Anpassungen bestehender Batterieproduktionslinien implementieren und ist mit einer Vielzahl von Kathoden- und Anodenmaterialsystemen kompatibel. Asahi Kasei plant, die Technologie zu lizenzieren. Die Strategie ist Teil des mittelfristigen Managementplans (MTP) des Unternehmens und wird im Rahmen der Initiative „Technology-value Business Creation“ (TBC) umgesetzt. (se)

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