Höhere Energiedichte für Lithium-Batterien

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterie­technologie – kein anderer aufladbarer Energiespeicher kann mit ihr mithalten. Für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras ist sie unersetzlich. Ziel der derzeitigen Forschung ist insbesondere, höhere Speicherdichten für Lithium zu erreichen, um damit mehr Energie in einer Batterie speichern zu können. Darüber hinaus sollte die Lithiumspeicherung schnell vonstatten­gehen, um auch Geräte mit hohen Leistungsanforderungen versorgen zu können. Dafür ist es erforderlich, ein detailliertes Verständnis der elektrochemischen Vorgänge zu erarbeiten und Komponenten der Batterie neu zu entwickeln.

Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume – Zwischengitterplätze – einer Wirtsstruktur, die in der Regel aus Metalloxiden besteht. Diese Methode funktioniert zwar gut, doch sind die damit erzielbaren Speicherdichten begrenzt, da sich das Lithium nicht besonders dicht in der Struktur packen lässt. Zudem ist die Einlagerung von mehr als einem Lithium-Ion pro Formeleinheit in der Regel nicht möglich, da die Struktur dann nicht mehr stabil ist und zerfällt. Wünschenswert wäre es deshalb, Lithium deutlich dichter in eine stabile Struktur zu packen und die bisherigen Obergrenzen zu überwinden.

Eine Forschungsgruppe um Maximilian Fichtner und Ruiyong Chen hat nun am Karlsruher Institut für Technologie ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt, welches die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li⁺ pro Formeleinheit erlaubt. Mit einem Material der Zusammensetzung Li₂VO₂F wurden Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien wird in dem neuen System das Lithium nicht mehr auf Zwischengitterplätzen, sondern direkt auf den Gitterplätzen einer kubisch dichtesten Packungsstruktur gespeichert, wodurch die deutlich höheren Packungsdichten erreicht werden.

Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen in dieser Struktur sehr mobil und können leicht in das Gitter ein- und wieder ausgebaut werden. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt stabil bleibt – ein Novum bei solchen Speicher­materialien. Die Struktur besitzt eine hohe Defektmobilität, sodass sich das Gitter selbst stabilisieren kann. „Die hohe Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität, verbunden mit einer sehr kleinen Volumenänderung von nur drei Prozent ist das eigentlich Ungewöhnliche an diesem neuen System“, sagt Maximilian Fichtner. „Das Speicherprinzip scheint zudem auf andere Zusammensetzungen übertragbar zu sein. Mit anderen Verbindungen ähnlicher Struktur messen wir derzeit sogar noch höhere Energiedichten als mit dem auf Vanadium basierenden System.“

KIT / RK