Neue Schutzschicht macht Akkus leistungsfähiger

Ein Forschungsteam des Paul-Scherrer-Instituts hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Akkus steigern lässt. Erste Tests entsprechend modifizierter Hochspannungsakkus verliefen erfolgreich. Damit könnten Lithium-Ionen-Akkus, zum Beispiel solche für Elektrofahrzeuge, deutlich effizienter werden.

Weitere Nachrichten zum Thema

23.08.2024 • Nachricht • Industrie & Technologie

Schlummernde Reserve in Lithium-Ionen-Akkus

14.12.2023 • Nachricht • Industrie & Technologie

Was steckt in der Batterie der Zukunft?

09.06.2022 • Nachricht • Industrie & Technologie

Forschungs-Neutronenquelle ermöglicht Einblick in Lithium-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus gelten als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung. Deswegen arbeiten Forscher weltweit daran, deren Leistungsfähigkeit fortlaufend zu verbessern; unter anderem durch eine Steigerung der Energiedichte. „Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, liegt darin, die Betriebsspannung zu erhöhen“, sagt Mario El Kazzi vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften am PSI, „steigt die Spannung, so steigt auch die Energiedichte.“

Doch da gibt es ein Problem: Bei Betriebsspannungen von über 4,3 Volt finden am Übergang von Kathode und dem Elektrolyten starke chemische und elektrochemische Abbauprozesse statt. Die Oberfläche der Kathodenmaterialien wird durch die Freisetzung von Sauerstoff die Auflösung von Übergangsmetallen und die strukturelle Rekonstruktion stark geschädigt – was wiederum einen fortlaufenden Anstieg des Zellwiderstands und einen Kapazitätsabfall zur Folge hat. Deswegen laufen kommerzielle Batteriezellen, zum Beispiel die von Elektroautos, bisher auch nur mit maximal 4,3 Volt.

Um dieses Problem zu lösen, haben El Kazzi und sein Team eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Oberfläche der Kathode stabilisieren lässt, indem diese mit einer dünnen gleichmäßigen Schutzschicht überzogen wird.

Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Gas, das bei der Herstellung von Kunststoffen und Schaumstoff als Nebenprodukt entsteht: Trifluormethan. Im Labor leiteten El Kazzi und sein Team bei 300 Grad Celsius eine Reaktion zwischen dem CHF3 und der dünnen Schicht aus Lithiumkarbonat ein, welche die Oberfläche der Kathoden bedeckt. Dabei wandelt sich das Lithium an der Grenzschicht in Lithiumfluorid um. Wichtig dabei: Die Lithium-Atome des Kathodenmaterials bleiben dabei als Ionen erhalten. Diese Lithium-Ionen müssen nämlich beim Laden und Entladen zwischen der Kathode und der Anode weiter hin- und herwandern können, damit die Akkukapazität im späteren Betrieb nicht beeinträchtigt ist.

In einem weiteren Schritt prüften die Forscher die Wirksamkeit der Schutzschicht, indem sie elektrochemische Tests bei hohen Betriebsspannungen durchführten. Das erfreuliche Ergebnis: Die Schutzschicht blieb auch bei hohen Spannungen stabil. Sie schützt das Kathodenmaterial so gut, dass Betriebsspannungen von 4,5 und sogar 4,8 Volt möglich sind.

Im Vergleich zu Batterien mit ungeschützten Kathoden schnitten die beschichteten bei allen wichtigen Parametern deutlich besser ab. So war die Impedanz, also der Widerstand für die Lithium-Ionen an der Grenzfläche der Kathode, nach einhundert Auf- und Entladedurchgängen um rund dreißig Prozent niedriger als bei den Batterien mit unbehandelter Kathode. „Ein eindeutiges Zeichen dafür, dass unsere Schutzschicht den Anstieg des Widerstandes abschwächt, der durch die sonst stattfindenden Grenzflächenreaktionen auftritt“, erklärt El Kazzi.

Verglichen wurde auch der Kapazitätserhalt. Dieser steht für die Menge an Lithium-Ionen, die nach einer bestimmten Anzahl Auf- und Entladedurchgängen immer noch von der Kathode zur Anode wandern können. Je näher dieser Wert an hundert Prozent liegt, desto geringer ist der Kapazitätsabfall. Auch hier erwies sich der Akku mit beschichteter Kathode in den Tests als überlegen: Der Kapazitätserhalt lag bei über 94 Prozent nach hundert Lade- und Entladedurchgängen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit, während der unbehandelte Akku auf nur achtzig Prozent kam.

Das am PSI entwickelte Beschichtungsverfahren öffnet neue Wege, die Energiedichte von verschiedenen Batterietypen zu steigern. „Wir können davon ausgehen, dass unsere Lithiumflorid-Schutzschicht universell und bei den meisten Kathodenmaterialien anwendbar ist“, betont El Kazzi, „sie funktioniert zum Beispiel auch bei nickel- und lithiumreichen Hochspannungsbatterien.“

Ein weiterer wichtiger Aspekt des neuen Verfahrens: Trifluormethan ist ein hochwirksames Treibhausgas, weswegen es keinesfalls in die Atmosphäre gelangen sollte. Für El Kazzi stellt die Umwandlung in eine einheitliche dünne LiF-Schutzschicht auf der Oberfläche von Kathodenmaterialien eine effiziente Lösung dar, das Gas zu monetarisieren, indem es Teil einer Kreislaufwirtschaft wird. Mit dem neuen Beschichtungsverfahren lässt sich CHF3 recyceln und als Schutzschicht in Hochspannungskathoden langfristig binden.

PSI / RK