Wasser-in-Salz-Elektrolyt für günstigere Akkus

  • 19. November 2015

Ionische Flüssigkeit mit Wasseranteilen erlaubt höhere Spannungen – Alternative zu giftigen organischen Lösungsmitteln.

Wasser ist in herkömmlichen Lithium­ionen-Akkus absolut unerwünscht. Schon wenig Feuchtigkeit reduziert die Haltbarkeit und kann im Extremfall zu einer gefährlichen, elektrolytischen Bildung von Wasser­stoff­gas führen. Dennoch ersetzte nun eine amerikanische Forschergruppe den wasser­freien Elektro­lyten aus organischen Lösungs­mitteln gegen eine wässrige Salzlösung. Dank einer extrem hohen Salz­konzen­tration konnte die Bildung von Wasserstoff selbst bei relativ hohen Spannungen unterbunden werden. Auf diesem Ansatz aufbauend könnten nun leis­tungs­fähige Lithium­ionen-Akkus entwickelt werden, die sich günstiger produzieren und leichter recyceln ließen.

Lithiumionen-Akkus im Vergleich: Eine konzentrierte Salzlösung (Wasser-in-Salz, rechts) ermöglicht höhere Spannungen als bisherige wässrige Elektrolyte (Salz-in-Wasser, links; Bild: L. Suo et al., U. Maryland)

Abb.: Lithiumionen-Akkus im Vergleich: Eine konzentrierte Salzlösung (Wasser-in-Salz, rechts) ermöglicht höhere Spannungen als bisherige wässrige Elektrolyte (Salz-in-Wasser, links; Bild: L. Suo et al., U. Maryland)

„Diese Arbeit könnte die gesamte Elektrochemie mit wässrigen Elektro­lyten in eine neue Richtung führen“, sagt Kang Xu vom US-Army Research Labora­tory in Adelphi. Denn Xu ist es mit seinen Kollegen von der University of Maryland in College Park zum ersten Mal die Bildung einer speziellen Passierungsschicht auf der Anode eines Lithium­ionen-Akkus geglückt, dank derer die Batterie höhere Spannungen liefern konnte als bisher. Ihr Prototyp zeigt damit einen Weg auf, um die heute oft genutzten orga­nischen Flüssig­keiten aus den Lithium­ionen-Akkus in Zukunft zu verbannen. Diese bisher favorisierten, wasser­freien Elek­trolyte auf Ester-Basis ermöglichen zwar hohe Energie­dichten und eine lange Lebensdauer. Doch sind sie hochgiftig und erfordern teure Produk­tions­prozesse in Reinräumen mit extrem geringer Luft­feuchtig­keit.

„Nun können Batterien mit wässrigen Elektrolyten mit herkömmlichen Lithium­ionen-Akkus konkur­rieren“, sagt Xus Kollege Chunsheng Wang. Dazu lösten die Akkuforscher ein spezielles Lithium-Salz, Lithium­bis­trifluoro­methan­sulfonyl­imid LiTFSI, in Wasser auf. Dieses Salz zählt zu den „Ionischen Flüssig­keiten“, die bei Raum­temperatur selbst schon flüssig und sehr gut in Wasser löslich sind. Mit einer hoch konzen­trierten, mindes­tens 20-molaren Salzlösung („Wasser-in-Salz-Elektrolyt“) füllten die Forscher den Raum zwischen den beiden Akku-Elektroden auf und testeten das Ladeverhalten des Prototyps. Die Anode bestand aus Molybdän­sulfid Mo6S8, die Kathode aus Lithium­manganat.

Über etwa tausend Ladezyklen lieferte der Akku eine Spannung von 2,3 Volt ohne Bildung von störendem Wasser­stoff. Energie­dichten von bis zu hundert Wattstunden pro Kilogramm waren damit möglich. Zum Vergleich: Die maximale Spannung früherer Lithium­ionen-Systeme mit wässrigem Elektro­lyten lag deutlich darunter bei etwa 1,23 Volt. Wegen dieser geringen Spannung ließen sich höchstens Energie­dichten von etwa 50 Wh/kg erzielen. Nach Aussage der Forscher könnten mit diesem Wasser-in-Salz-Elektrolyten sogar Akku-Span­nungen von bis zu drei Volt möglich werden.

Prototyp eines Lithiumionen-Akkus mit wässrigem Elektrolyt (Bild: L. Suo et al., U. Maryland)

Abb.: Prototyp eines Lithiumionen-Akkus mit wässrigem Elektrolyt (Bild: L. Suo et al., U. Maryland)

Nach den Testläufen, in denen die Akku sowohl langsam als auch schnell aufgeladen wurden, nahmen die Akku­forscher ihren Prototyp wieder auseinander und unter­suchten die Elektroden mit verschiedenen spektrovskopischen Verfahren (NMR, Raman, XPS). Dabei entdeckten sie, dass sich auf der Anode eine dünne Schicht aus Lithium­fluorid gebildet hatte. Verantwortlich dafür war die extrem hohe Salzkonzentration im Elektrolyten. Das Lithium­fluorid wirkte als sogenannte Passivie­rungs­schicht, dank derer die Produktion von Wasser­stoff unterdrückt wurde.

„Mit diesen höheren Spannungen könnte nun eine neue Generation sicherer und günstigerer Lithiumionen-Akkus entwickelt werden“, bestätigt Jeff Dahn, Akkuforscher von der kanadischen Dalhousie University in Halifax, der nicht an diesen Versuchen beteiligt war. Kostensenkend könnten sich die einfacheren Produktionsbedindungen ohne Reinräume mit extrem trockener Atmosphäre auswirken, die für Akkus mit wässrigen Elektrolyten ausreichend wären. Da diese Akkus ohne giftige Lösungsmittel auskommen, ergäben sich auch bessere Recyclingmöglichkeiten.

Für stationäre Stromspeicher, die überschüssigen Strom aus Wind- und Solarparks kurzfristig aufnehmen, könnten diese neuen Lithiumionen-Akkus schon in weniger als fünf Jahren einsatzreif sein. Etwa doppelt so lang soll es nach Aussage der Entwickler für Akkus mit möglichst hoher Energiedichte dauern, die in Smartphones oder Elektroautos eingesetzt werden. Im Laufe dieser Entwicklung müsste der Kapazitätsverlust nach tausend Ladezyklen, der derzeit noch etwa dreißig Prozent beträgt, reduziert werden. „Aber unsere Ergebnisse könnten auch für zukünftige Metall-Luft-Akkus oder auch für Brennstoffzellen und neue Superkondensatoren wichtig werden“, sagt Xu.

Jan Oliver Löfken

SK

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