Lithium-Metall-Batterien mit schwach bindenden Elektrolyten lassen sich auch bei Temperaturen von -60 °C aufladen. Damit sind sie vielversprechende Kanditaten für Anwendungen wie der Weltraumforschung. (Bild: AdobeStock_413216779)

Lithium-Metall-Batterien mit schwach bindenden Elektrolyten lassen sich auch bei Temperaturen von -60 °C aufladen. Damit sind sie vielversprechende Kanditaten für Anwendungen wie der Weltraumforschung. (Bild: AdobeStock_413216779)

| von Redaktion

In ersten Tests behielt die Proof-of-Concept-Batterie 84 Prozent und 76 Prozent ihrer Kapazität über 50 Zyklen bei -40 °C beziehungsweise -60 °C. Eine solche Leistung ist ein Novum in diesem Bereich. Andere Lithium-Batterien, die für den Einsatz bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt entwickelt wurden, lassen sich zwar in der Kälte entladen, benötigen aber Wärme beim Aufladen. Das bedeutet, dass eine zusätzliche Heizung an Bord sein muss, um die Batterien in Anwendungen wie der Weltraumforschung zu verwenden.

Diese Arbeit – eine Zusammenarbeit zwischen den Laboren der UC San Diego – stellt einen neuen Ansatz zur Verbeserung der Leistung von Lithium-Metall-Batterien dar. Viele Bemühungen konzentrierten sich bisher auf die Wahl von Elektro-lyten, die nicht so leicht einfrieren und die Lithium-Ionen schnell zwischen den Elektroden bewegen können. In dieser Studie entdeckten die Forschenden, dass es nicht unbedingt darauf ankommt, wie schnell der Elektrolyt die Ionen bewegen kann, sondern wie leicht er sie loslässt und sie auf der Anode ablagert.

„Wir haben herausgefunden, dass die Bindung zwischen den Lithium-Ionen und dem Elektrolyten und die Strukturen, die die Ionen im Elektrolyten einnehmen, für diese Batterien bei niedrigen Temperaturen entweder Leben oder Tod bedeuten“, sagt Erstautor der Studie John Holoubek, Doktorand im Bereich Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. Diese Entdeckung gelang, indem die Forschenden die Batterieleistung mit zwei Arten von Elektrolyten verglichen: einem, der nur schwach an Lithium-Ionen bindet, und einem, der stark bindet. Batteriezellen mit schwach bindendem Elek-trolyten waren bei -60 °C nach 50 Zyklen noch leistungsfähig, während solche mit stark bindendem Elektrolyten schon nach zwei Zyklen nicht mehr funktionierten.

Wechselwirkungen im Nanobereich als Ursache

Die Unterschiede in der Batterieleistung lassen sich auf Wechselwirkungen im Nanobereich zurückführen. Die Art und Weise wie Lithium-Ionen mit dem Elektrolyten auf atomarer Ebene interagieren, ermöglicht nicht nur einen nachhaltigen Zyklus bei extem niedrigen Temperaturen, sondern verhindert auch die Bildungn von Dendriten.

Die Stukturen und Bindungsstärken bestimmen letztlich, wie sich Lithium bei niedrigen Temperaturen auf der Anodenoberfläche ablagert. Bei schwach bindenden Elektrolyten können die Ionen den Halt des Elektrolyten leicht überwinden, sodass nicht viel Energie notwendig ist, um sie dazu zu bringen, sich an der Anodenoberfläche abzulagern. Deshalb sind in diesem Fall die Ablagerungen auch vergleichweise glatt und ebenmäßig. Dieses grundlegende Verständnis der molekularen und atomaren Strukturen, die Lithium bildet und wie das Element mit bestimmten Atomen koordiniert, sind die Basis für mögliche neue Konstruktionsprinzipien für die nächste Generation an Energiespeichern.

Damit war es dem Forscherteam möglich, eine Kathode zu entwickeln, die mit den Elektrolyten und der Anode kompatibel ist und bei niedrigen Temperaturen funktioniert. Es handelt sich dabei um eine schwefelbasierte Kathode, die aus kostengünstigen, reichlich vorhandenen und umweltfreundlichen Materialien besteht.

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