Elektrochemie 06.02.2020, 07:00 Uhr

Neues Elektrodendesign, leistungsfähigere Batterien

Ingenieure am MIT haben eine Lithium-Metall-Anode entwickelt, welche die Langlebigkeit und Energiedichte zukünftiger Batterien verbessern könnte. Sie verändern dafür nicht die Materialien, sondern optimieren die räumliche Anordnung.

Akkus

Lithium-Ionen-Akkus.

Foto: panthermedia.net/make

Hochleistungs-Akkus gewinnen in Zeiten der Elektromobilität stark an Bedeutung. Auch als Speicher für erneuerbare Energien stehen sie hoch im Kurs. Im Moment enttäuschen viele Lithium-Ionen-Akkus aufgrund langer Ladezyklen oder aufgrund einer zu kurzen Lebensdauer. Nicht zuletzt werden sie bei Unfällen im Straßenverkehr schnell zur Gefahr.

Eine mögliche Lösung präsentieren Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Ihnen ist es gelungen, reines Lithiummetall als Anode einzusetzen, indem sie das grundlegende Design der Zellen verändert haben. Jetzt hoffen sie auf langlebigere Batterien mit höherer Kapazität und besserer Stabilität.

Mechanische Belastung minimiert die Lebensdauer

Zum Hintergrund: Eines der größten Probleme besteht bei Lithium-Ionen-Akkus darin, dass sich beim Aufladen Atome im Inneren des Lithiummetalls ansammeln. Elektroden dehnen sich dabei aus. Beim Entladen durch Stromentnahme schrumpft das Metall dann wieder. Diese Änderungen führen zu wiederkehrenden mechanischen Belastungen im Material. Elektroden können sich lockern oder brechen.

Hinzu kommt, dass keiner der bisher untersuchten festen Elektrolyte chemisch stabil ist, wenn er mit dem hochreaktiven Lithiummetall in Berührung kommt. Mit der Zeit zersetzen sich die Verbindungen. Und die Lebensdauer sinkt weiter.

Stellenangebote im Bereich Chemieingenieurwesen

Chemieingenieurwesen Jobs
über ifp | Executive Search. Management Diagnostik.-Firmenlogo
Produktionsleiter:in über ifp | Executive Search. Management Diagnostik.
ATLAS TITAN Mitte GmbH-Firmenlogo
Projektkoordinator (m/w/d) Entsorgung hochradioaktiver Abfälle ATLAS TITAN Mitte GmbH
Emmerthal, Hameln Zum Job 
Infraserv GmbH & Co. Höchst KG-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Anlagen- & Prozesssicherheit Infraserv GmbH & Co. Höchst KG
Frankfurt am Main Zum Job 
Indorama Ventures Polymers Germany GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsingenieur (m/w/d) für Anlagen- und Prozesssicherheit Indorama Ventures Polymers Germany GmbH
Gersthofen Zum Job 
Neovii Biotech GmbH-Firmenlogo
Qualification Engineer (m/w/d) Neovii Biotech GmbH
Gräfelfing Zum Job 
Fresenius Kabi-Firmenlogo
Director (m/w/d) Operations Media Supply, Formulation & API Fishoil Fresenius Kabi
Friedberg / Hessen Zum Job 

Doch guter Rat ist teuer. Bisher konzentrierten sich die Experimente zur Lösung dieser Herausforderungen vor allem auf die Suche nach besseren Festelektrolyten, die stabil gegenüber Lithiummetall sind, was sich in der Praxis als schwierig erwies.

Neues Elektrodendesign statt neuer Materialien

Deshalb wählten die MIT-Ingenieure einen anderen Weg – mit Erfolg. Sie setzten bei ihren Experimenten Mischleiter (Mixed Ion-Electron Conductors, MIEC) ein. Darunter versteht man Festelektrolyte mit elektronischer Leitfähigkeit, etwa Strontiumtitanat oder Titan(IV)-oxid. Hinzu kamen Elektronen- und Li-Ionen-Isolatoren (Electron and Li-ion insulators, ELI), die im Kontakt mit Lithiummetall absolut chemisch inert sind, also nicht reagieren.

Auf dieser chemischen Basis entwickelten Ingenieure dann eine dreidimensionale, wabenförmige Nanoarchitektur für ihre elektrochemischen Zellen. Hexagonale MIEC-Röhren haben Kontakt zu metallischem Lithium, ohne dass der Hohlraum komplett ausgefüllt wurde.

Wenn sich das Lithium während des Ladevorgangs ausdehnt, fließt es in den leeren Raum im Inneren der Röhren und bewegt sich wie eine Flüssigkeit, obwohl es seine feste, kristalline Struktur beibehält. Das sich ausdehnende und zusammenziehende Lithium in diesen Röhren bewegt sich nach innen und außen, ähnlich wie die Kolben eines Automotors in ihren Zylindern. Dieser Mechanismus verringert den Druck während des Ladens, ohne die Geometrie der Elektrode oder die Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt zu verändern. Das andere Material, ELI genannt, dient als mechanisches Bindemittel zwischen den MIEC-Wänden und der festen Elektrolytschicht.

Stabile und sichere elektrochemische Zelle

Da die Wände aus inertem MIEC bestehen, verliert das Lithium nie den elektrischen Kontakt mit dem Material. So kann die gesamte Festkörperbatterie mechanisch und chemisch stabil bleiben, während sie ihre Nutzungszyklen durchläuft. Das Team hat sein Konzept experimentell bestätigt, indem es den Akku im Testgerät 100 Lade- und Entladezyklen durchlaufen ließ, ohne dass es zu einem Bruch der Feststoffe kam.

Das Design ist Teil ihres Konzepts zur Entwicklung sicherer Festkörperbatterien, bei dem Forscher auf das flüssige oder polymere Gel, das normalerweise als Elektrolytmaterial zwischen beiden Elektroden der Batterie verwendet wird, verzichten. Ein fester Elektrolyt ermöglicht es den Lithium-Ionen, während der Lade- und Entladezyklen der Batterie hin- und herzuwandern. Hinzu kommt: Die vollständig feste Bauweise könnte sicherer sein als flüssige Elektrolyte, die eine hohe Flüchtigkeit aufweisen und die Quelle von Explosionen in Lithiumbatterien waren. Dieser Aspekt ist am MIT noch nicht untersucht worden.

Hochskalierung geplant 

Die Forscher haben bisher nur kleine Geräte im Labormaßstab gebaut und getestet. Sie gehen aber davon aus, dass diese schnell skaliert werden können. Die benötigten Materialien, hauptsächlich Mangan, sind erheblich billiger als das von anderen Herstellern für Zellen verwendete Nickel oder Kobalt, sodass diese Kathoden nur ein Fünftel der herkömmlichen Versionen kosten würden.

Mehr zum Thema

Mehr zum Thema Akkus

Ein Beitrag von:

  • Michael van den Heuvel

    Michael van den Heuvel hat Chemie studiert. Unter anderem arbeitet er für Medscape, DocCheck, für die Universität München und für pharmazeutische Fachmagazine. Seit 2017 ist er selbstständiger Journalist und Gesellschafter von Content Qualitäten. Seine Themen: Chemie/physikalische Chemie, Energie, Umwelt, KI, Medizin/Medizintechnik.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.