Dendriten bilden sich, wenn der Elektrolyt bei einer Metall-Lithium-Batterie nicht angepasst wird. Das wollen die Forscher verhindern. (Bild: Nobelprize.org)
Unter den vielversprechenden Hochleistungsbatterien der nächsten Generation stehen Lithium-Metall-Batterien ganz vorne: Sie können mindestens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Ein Elektroauto fährt mit einer Ladung also doppelt so weit oder das Smartphone ist weniger oft aufzuladen.
Derzeit haben Lithium-Metall-Batterien allerdings noch einen entscheidenden Nachteil: Der Elektrolytflüssigkeit müssen große Mengen an fluorhaltigen Lösungsmitteln und Salze zugesetzt werden, was auf Kosten des ökologischen Fußabdrucks geht. Ohne dieses Fluor wären diese Batterien instabil, würden nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionieren und es kann zu Kurzschlüssen kommen oder sie überhitzen und entzünden sich. Maria Lukatskaya, ETH-Professorin für Elektrochemische Energiesysteme, und ihr Team haben nun eine neue Methode entwickelt, um die Fluormenge in den Lithium-Metall-Batterien drastisch zu reduzieren. Dadurch werden die Batterien umweltfreundlicher, stabiler und kostengünstiger.
Schutzschicht verlängert Lebensdauer
Die fluorierten Verbindungen aus dem Elektrolyt helfen bei der Bildung einer Schutzschicht um das Lithium-Metall am Minuspol der Batterie. Diese Schicht schützt das Lithium-Metall vor der ständigen Reaktion mit den Elektrolytbestandteilen. Ohne diese Schutzschicht würde sich der Elektrolyt während des Ladevorgangs schnell entleeren, die Zelle würde versagen und während des Ladevorgangs würden sich 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. Entscheidend für die Leistung einer Batterie ist deshalb die Kontrolle der Eigenschaften der Schutzschicht. Eine stabile Schutzschicht erhöht die Effizienz, die Sicherheit und die Lebensdauer einer Batterie.
Wie funktioniert eine Lithium-Metall-Batterie?
Jede Batterie besteht aus einer negativ geladenen Anode und einer positiv geladenen Kathode. Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht die Anode aus Graphit; bei Lithium-Metall-Batterien ist es Lithium-Metall. Ein flüssiger Elektrolyt trennt Anode und Kathode. Beim Laden wandern positiv geladene Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Wenn die Lithium-Ionen die Anode erreichen, verlieren sie ihre positive Ladung und bilden Lithium-Metall.
Fluoranteil minimieren
Es geht also darum, die Menge an zugesetztem Fluor zu reduzieren, ohne dass die Schutzschicht an Stabilität verliert. Die neu entwickelte Methode nutzt die elektrostatische Anziehung, um die gewünschte Reaktion zu erreichen. Bei dem Konzept der ETH-Forscher dienen elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle als Vehikel, um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen. Auf diese Weise benötigen sie bezogen auf die Elektrolytflüssigkeit nur 0,1 Gewichtsprozent Fluor, was mindestens 20-mal weniger ist als in früheren Studien.
In einer kürzlich erschienenen Publikation in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science beschreiben die Forscher diese neue Methode und deren Grundprinzipien, für die sie auch ein Patent angemeldet haben. Lukatskaya führte diese Forschung im Rahmen eines SNF-Starting-Grant-Projekts durch.
Keine Zusatzkosten in der Produktion
Eine der größten Herausforderungen war es, das richtige Molekül zu finden, an das sich Fluor anhängen lässt 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. Im Labor hatten die Batterien die Größe einer Münze. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Skalierbarkeit der Methode testen und zu Pouch-Zellen übergehen, wie sie in Smartphones zum Einsatz kommen.