Lithium-Metall-Batterie erzielt sehr hohe Energiedichte

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die gängige Lösung für die mobile Stromversorgung. Die Technologie stößt jedoch an ihre Grenzen. Dies gilt besonders für die E-Mobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind. Als Alternative bieten sich Lithium-Metall-Batterien an: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Doch ihre Stabilität stellt eine Herausforderung dar – weil die Elektrodenmaterialien mit den üblichen Elektrolyten chemisch reagieren.

Eine Lösung dafür scheinen nun Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) gefunden zu haben, indem sie eine vielversprechende neue Materialkombination einsetzen. Sie verwenden eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode (NCM88), die für eine hohe Energiedichte steht. Mit dem üblicherweise verwendeten kommerziell erhältlichen Elektrolyten LP30 auf Basis von Lithiumhexafluorophosphat lässt die Stabilität allerdings stark zu wünschen übrig. Die Speicherkapazität sinkt mit steigender Zahl der Ladezyklen.

Kapazität über 1.000 Ladezyklen zu 88 % erhalten

Warum das so ist, erklärt Professor Stefano Passerini, Direktor des HIU: „Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode. Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur.“ Die Forschenden verwendeten daher stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten (ILE). „Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen“, berichtet Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

Die Ergebnisse: Die Lithium-Metall-Batterie erreicht mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE eine Energiedichte von 560 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) - zum Vergleich: aktuelle Lithium-Ionen-Batterien kommen auf Energiedichten zwischen 100 und 200 Wh/kg. Besonders wichtig: über 1.000 Ladezyklen bleibt die Kapazität der Lithium-Metall-Batterie zu 88 % erhalten. Zudem zeichnet sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit aus.