Der ionische Flüssigelektrolyten ILE (re) vermeidet weitgehend Strukturveränderungen an der Kathode NCM88; die Kapazität der Batterie bleibt über 1000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten. (Quelle: Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU)
Das Ergebnis einer Kooperation zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) ist eine Lithium-Metall-Batterie mit einer hohen Energiedichte von 560 Wh/kg und bemerkenswert guter Stabilität dank einer Kombination aus nickelreicher Kathode und ionischem Flüssigelektrolyt. Zum Vergleich: Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus hängt vom verwendeten Kathoden-Material ab, meist Kobaltoxid. Dieser bietet eine Energiedichte von bis zu 180 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Obwohl beispielsweise negative Elektroden aus Lithiumkobaltnickel sogar eine Energiedichte bis zu 240 Wattstunden pro Kilogramm ermöglichen, werden häufiger Lithium-Ionen-Akkus mit rund 170 Wattstunden pro Kilogramm eingesetzt.
Wo Lithium-Metall-Batterien zum Einsatz kommen könnten
Lithium-Metall-Batterien bieten sich aufgrund der hohen Energiedichte als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien an, die besonders in Anwendungen der Elektromobilität schnell an Grenzen stoßen. Ein Problem bei Lithium-Metall-Batterien: die Elektrodenmaterialien reagieren mit gewöhnlichen Elektrolytsystemen. Die Lösung des Forscherteams ist, dass sie eine kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode NCM88 verwenden. Da mit dem kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten (LP30) die Stabilität stark zu wünschen lässt, kommt stattdessen ein schwerflüchtiger, nicht entflammbarer ionischer Flüssigelektrolyt mit zwei Anionen (ILE) zum Einsatz, der die Strukturveränderungen an der Kathode wesentlich eindämmt. „Im Elektrolyten LP30 entstehen Partikelrisse an der Kathode. Innerhalb dieser Risse reagiert der Elektrolyt und zerstört die Struktur. Zudem bildet sich eine dicke moosartige lithiumhaltige Schicht auf der Kathode.“ Mithilfe des ILE lassen sich diese Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode jedoch wesentlich eindämmen.
Die Lithium-Metall-Batterie mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE erreicht eine Energiedichte von 560 Wh/kg und weist anfänglich eine Speicherkapazität von 214 mAh/g auf; über 1000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 % erhalten. Die Coulomb-Effizienz, das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität, beträgt durchschnittlich 99,94 %.
