Mehr Strom im Lithium-Ionen-Akku

Ein Durchbruch der Elektro­mobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reich­weiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit einer größeren Ladekapazität. „Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, sagt Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energie­speicher­systeme am Karlsruher Institut für Technologie KIT. „Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektro­chemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu dreißig Prozent erhöhen.“ Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electro­chemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), der größten deutschen Forschungs­plattform für elektrochemische Speicher.

Die Hochenergie­variante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ein spezifisches Kathoden­material: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, kommen nun mangan­reiche Materialien mit Lithium-Überschuss zum Einsatz, was die Energiespeicher­fähigkeit pro Volumen oder Masse Kathoden­material deutlich erhöht. Allerdings gibt es beim Einsatz dieser Materialien bislang noch ein Problem: Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen degradiert das Hochenergie-Kathoden­material. Das Schichtoxid wandelt sich nach einiger Zeit in eine Kristall­struktur mit sehr ungünstigen elektro­chemischen Eigenschaften um. Als unerwünschte Folge sinkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an, was die Entwicklung von brauchbaren Hoch­energie-Lithium-Ionen-Akkus bislang verhinderte.

Wie genau dieser Degradations­prozess abläuft, war noch nicht vollständig verstanden. Ein Forscherteam am KIT und kooperierender Einrichtungen hat den grundlegenden Mechanismus nun ermittelt: „Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathoden­materials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithium­haltigen Kochsalz­struktur abläuft“, sagt Weibo Hua. Außerdem spiele Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.

Doch neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie müssen nicht unbedingt direkt aus dem Degradations­prozess stammen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und Kollegen anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathoden­materials durchgeführt wurden. Auf dem Weg zu Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos stellen die Forschungs­ergebnisse einen wichtigen Schritt dar: Sie machen es möglich, nun neue Ansätze zur Minimierung der Degradation in den Schichtoxiden zu testen und in die eigentliche Entwicklungs­arbeit zu diesem neuen Batterietyp einzusteigen.

KIT / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  W. Hua et al.: Structural insights into the formation and voltage degradation of lithium- and manganese-rich layered oxides, Nat. Commun. 10, 5365 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-13240-z
• POLiS (Post Lithium Storage) Cluster of Excellence, Karlsruher Institut für Technologie KIT