Weg zu stabileren Lithium-Metall-Batterien

Unter den vielver­sprechenden Hochleistungs­batterien der nächsten Generation stehen sie ganz vorne: Lithium-Metall-Batterien. Sie können mindestens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Derzeit haben Lithium-Metall-Batterien allerdings einen entscheidenden Nachteil: Der Elektrolyt­flüssigkeit müssen große Mengen an fluorhaltigen Lösungs­mitteln und Salze zugesetzt werden, was auf Kosten ihres ökologischen Fußabdrucks geht. Ohne das Fluor wären Lithium-Metall-Batterien instabil, sie würden nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionieren und es kann zu Kurz­schlüssen kommen oder sie überhitzen und entzünden sich.

An der ETH Zürich haben Maria Lukatskaya und ihr Team haben nun eine neue Methode entwickelt, um die Fluormenge in den Lithium-Metall-Batterien drastisch zu reduzieren, sie somit umwelt­freundlicher und ausserdem stabiler sowie kosten­günstiger zu machen. Die fluorierten Verbindungen aus dem Elektrolyt helfen bei der Bildung einer Schutzschicht um das Lithium-Metall am Minuspol der Batterie. „Wir können diese Schutzschicht mit Zahnschmelz vergleichen. Sie schützt das Lithium-Metall vor der ständigen Reaktion mit den Elektrolyt­bestandteilen“, erklärt Lukatskaya. 

Ohne diese Schutzschicht würde sich der Elektrolyt während des Ladevorgangs schnell entleeren, die Zelle würde versagen, und das Fehlen einer stabilen Schutz­schicht würde dazu führen, dass sich während des Ladevorgangs Lithium-Metall-Spitzen – Dendriten – anstelle einer gleichmäßigen flachen Schicht bilden. Erreichen diese Dendriten den Pluspol, kommt es zu einem Kurzschluss und die Batterie könnte sich so stark erhitzen, dass sie sich entzündet. Die Kontrolle der Eigen­schaften der Schutz­schicht ist daher entscheidend für die Leistung einer Batterie. Eine stabile Schutzschicht erhöht die Effizienz, die Sicherheit und die Lebensdauer einer Batterie.

„Wir haben überlegt, wie wir die Menge an zugesetztem Fluor reduzieren können, ohne dass die Schutzschicht an Stabilität verliert“, sagt Doktorand Nathan Hong. Die neu entwickelte Methode nutzt die elektro­statische Anziehung, um die gewünschte Reaktion zu erreichen. Die Forschenden haben ein Konzept entwickelt, bei dem elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle als Vehikel dienen, um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen. Auf diese Weise benötigen sie bezogen auf die Elektrolyt­flüssigkeit nur ein zehntel Gewichts­prozent Fluor, was mindestens zwanzigmal weniger ist als in früheren Studien.

Eine der größten Heraus­forderungen war es, das richtige Molekül zu finden, an das Fluor angehängt werden kann und das sich unter den richtigen Bedingungen auch wieder zersetzt, wenn es das Lithium-Metall erreicht hat. Ein großer Vorteil an der Methode sei, dass sie sich nahtlos in den bestehenden Produktions­prozess integrieren lässt, ohne Zusatzkosten für eine Anpassung der Produktions­einrichtung zu generieren. Im Labor hatten die Batterien die Größe einer Münze. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Skalier­barkeit der bereits paten­tierten Methode testen und zu Pouch-Zellen übergehen, wie sie in Smartphones verwendet werden.

ETHZ / JOL