Technologie

Neues Material für Batterie-Anoden

29.07.2020 - Lithium-Lanthan-Titanat kann Energiedichte, Laderate und Lebensdauer von Batterien verbessern.

Ein vielver­sprechendes Anoden­material für künftige Hochleistungs­batterien haben Forscher am Karlsruher Institut für Techno­logie KIT und an der Jilin-Universität in Changchun in China untersucht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristall­struktur (LLTO). LLTO kann die Energiedichte, Leistungs­dichte, Laderate, Sicherheit und Lebensdauer von Batterien verbessern, ohne dass eine Verkleinerung der Partikel von der Mikrometer- auf die Nanometer­skala erforderlich ist. 

Möglichst viel Energie auf möglichst kleinem Raum bei möglichst geringem Gewicht zu speichern – diese Anforderung erfüllen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) nach wie vor am besten. Die Forschung zielt darauf, Energie­dichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer dieser Batterien zu steigern. Dabei kommt es wesentlich auf die Elektroden­materialien an. Anoden in LIB bestehen aus einem Strom­ableiter und einem darauf aufge­brachten Aktiv­material, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Als Aktivmaterial dient ganz überwiegend Graphit. Negative Elektroden aus Graphit haben allerdings eine niedrige Laderate. Zudem weisen sie Sicherheits­probleme auf. Unter den alternativen Aktiv­materialien wurde Lithium-Titanat-Oxid (LTO) bereits kommerzia­lisiert. Negative Elektroden mit LTO bieten eine höhere Laderate und gelten als sicherer als solche mit Graphit. Allerdings haben LIB mit LTO-Anoden tendenziell eine niedrigere Energie­dichte.

Das Team um Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeicher­systeme (IAM-ESS) des KIT, hat nun ein weiteres vielver­sprechendes Anodenmaterial erforscht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristall­struktur (LLTO). Wie die gemeinsam mit Wissen­schaftlern der Jilin-Universität und weiterer Forschungs­einrichtungen in China und Singapur durchgeführte Studie ergeben hat, weisen LLTO-Anoden im Vergleich zu kommerzia­lisierten LTO-Anoden ein niedrigeres Elektroden­potenzial auf, wodurch sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen lassen. „Zellspannung und Speicher­kapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie“, erklärt Ehrenberg. „Künftig könnten LLTO-Anoden besonders sichere und langlebige Hochleistungs­zellen ermöglichen.“ 

Neben Energiedichte, Leistungs­dichte, Sicherheit und Lebens­dauer entscheidet auch die Laderate über die Eignung einer Batterie für anspruchs­volle Anwendungen. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronen­transport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolyt­materialien ab. Um die Laderate zu verbessern, ist es üblich, die Partikelgröße des Elektroden­materials von der Mikrometer- auf die Nanometer­skala zu reduzieren. Bei LLTO ermöglichen aber selbst Partikel von einigen Mikrometern eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Laderate als LTO-Nano­partikel. Dies führt das Forscherteam auf pseudo­kapazitive Eigenschaften von LLTO zurück: An diesem Anoden­material lagern sich nicht nur einzelne Elektronen an, sondern ladungs­tragende Ionen, die über schwache Kräfte gebunden sind und reversibel Ladungen an die Anode übertragen können. „Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kosten­günstigere Verfahren der Elektroden­herstellung“, sagt Ehrenberg.

KIT / JOL

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