Forschung -

Sind Lithium-Metall-Batterien bald kommerziell verfügbar?

Ein Forschungsteam der Stanford University erfand eine sehr interessante Anodenbeschichtung, die endlich leichte Lithium-Metall-Batterien sicher und langlebig machen könnte - eine enorme Verbesserung die die nächste Generation von Elektrofahrzeugen.

Die Hoffnung auf die wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterie wurde somit wieder hergestellt - ein potenzielles Batterie-Kraftwerk, das jahrzehntelang aufgrund seiner kurzen Lebenserwartung und seiner gelegentlichen feurigen Zerstörung ins Labor verbannt wurde, während sein wiederaufladbarer Konkurrent, die Lithium-Ionen-Batterie, nun mehr als 30 Milliarden Dollar pro Jahr einbringt.

Das Forscherteam der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory hat nämlich eine Beschichtung entwickelt, die einige der Defekte der Batterie überwindet. Der entsprechende Forschungsbericht erschien in dem Fachmagazin "Joule".

In Labortests wurde durch diese Beschichtung die Lebensdauer der Batterie deutlich verlängert. Es ging auch um das Thema Verbrennung, indem es die winzigen nadelförmigen Strukturen - oder Dendriten - die den Separator zwischen der positiven und negativen Seite der Batterie durchdringen, stark einschränkte.

Dendriten können nicht nur die Batterie zerstören, sondern auch einen Kurzschluss in der brennbaren Flüssigkeit der Batterie verursachen. Lithium-Ionen-Akkus haben gelegentlich das gleiche Problem, aber Dendriten waren bisher ein "Nicht-Starter" für wiederaufladbare Lithium-Metall-Akkus.

"Wir sprechen den heiligen Gral der Lithium-Metall-Batterien an", sagte Chemieprofessorin Zhenan Bao, die zusammen mit Yi Cui, Professor für Materialwissenschaft, Ingenieurwesen und Photonenforschung an der SLAC, Senior-Author der Arbeit ist.

Bao fügte hinzu, dass Dendriten verhindert hätten, dass Lithium-Metall-Batterien vielleicht in der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen verwendet würden.

Lithium-Metall-Batterien können mindestens ein Drittel mehr Leistung als Lithium-Ionen-Batterien pro Pfund aufnehmen und sind deutlich leichter, da sie leichtes Lithium für die positiv geladene Anode und nicht schwereres Grafit verwenden.

Wenn sie zuverlässiger wären, könnte die tragbare Elektronik, von Notebooks bis hin zu Mobiltelefonen, von diesen Akkus profitieren, aber der echte Vorteil, sagte Cui, bestände für Autos.

Der größte Nachteil bei Elektrofahrzeugen besteht nämlich darin, dass ihre Batterien etwa ein Viertel ihrer Energie verbrauchen, um sich selbst zu transportieren. Das bringt es hinsichtlich Reichweite und Kosten auf den entscheidenden Punkt.

"Die Kapazität herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien ist fast so weit entwickelt worden, wie es nur geht", sagte David Mackanic, Stanford-Doktorand und Mitautor der Studie. "Es ist also entscheidend, neue Arten von Batterien zu entwickeln, um die aggressiven Anforderungen an die Energiedichte moderner elektronischer Geräte zu erfüllen."

Das Team von Stanford und SLAC testete ihre Beschichtung auf der positiv geladenen Anode einer standardisierten Lithium-Metall-Batterie, wo sich typischerweise Dendriten bilden.

Schließlich kombinierten sie ihre speziell beschichteten Anoden mit anderen handelsüblichen Komponenten zu einer voll funktionsfähigen Batterie. Nach 160 Zyklen lieferten ihre Lithium-Metallzellen immerhin noch 85 Prozent der Leistung, die sie in ihrem ersten Zyklus erbrachten.

Normale Lithium-Metallzellen liefern nach so vielen Zyklen nur noch etwa 30 Prozent, was sie nahezu nutzlos macht, selbst wenn sie nicht explodieren.

Die neue Beschichtung verhindert die Bildung von Dendriten, indem sie ein Netz von Molekülen bildet, die geladene Lithiumionen gleichmäßig an die Elektrode abgeben.

Es verhindert zudem unerwünschte chemische Reaktionen, die für diese Batterien typisch sind, und reduziert auch eine chemische Anhäufung auf der Anode, die die Fähigkeit der Batterie, Energie zu liefern, schnell zerstört.

"Unser neues Beschichtungsdesign macht Lithium-Metall-Batterien stabil und vielversprechend für die weitere Entwicklung", sagte der andere Co-Autor, Stanford PhD-Student Zhiao Yu.

Die Gruppe verfeinert nun ihr Beschichtungsdesign, um die Kapazitätserhaltung zu erhöhen und Zellen über mehrere Zyklen zu testen.

"Während der Einsatz in Elektrofahrzeugen das ultimative Ziel sein kann", sagte Cui, "würde die Kommerzialisierung wahrscheinlich mit der Verbraucherelektronik beginnen, um die Sicherheit der Batterie zu demonstrieren".

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