Energiespeicherforschung der ETH Zürich Vanadat-Borat-Glas erhöht Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

Vanadat-Borat-Glas könnte als Kathodenmaterial die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie verdoppeln.
Vanadat-Borat-Glas könnte als Kathodenmaterial die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie verdoppeln.

Materialforscher der ETH Zürich haben mit dem Vanadat-Borat-Glas ein Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das die Kapazität und Energiedichte heutiger Batterien erheblich erhöhen dürfte.

Damit Elektrofahrzeuge hohe Reichweiten erreichen, braucht es leistungsstarke Batterien. Die Forschung sucht deshalb nach neuen Materialien, die bei gleichem Volumen und Gewicht eine höhere Energiedichte und mehr Ladekapazität aufweisen als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien. «Was wir brauchen, sind neue Materialien und eine komplett neue Chemie um sichere, bessere und langlebigere Batterien zu entwickeln», erklärt Semih Afyon, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Elektrochemische Materialien der EHT Zürich, die Grundidee der Batterieforschung.

Die Forscher der Schweizer Hochschule sind auf ein Material gestoßen, das die Batterieleistung verdoppeln könnte. Dabei handelt es sich um ein Vanadat-Borat-Glas, das sich als Kathodenmaterial verwenden lässt. Das Material besteht aus Vorläufersubstanzen von Vanadiumpentoxid (V2O5) und Lithium-Borat (LiBO2), das zudem mit reduziertem Graphitoxid beschichtet wurde.

Es kam eine vanadiumbasierte Verbindung zum Einsatz, weil es von Vanadium zahlreiche Oxidationsstufen gibt. Vanadiumpentoxid beispielsweise kann in kristalliner Form drei positiv geladene Lithium-Ionen aufnehmen – dreimal mehr als Lithium-Eisen-Phosphat, das in heutigen Kathoden verwendet wird. Allerdings kann kristallines Vanadiumpentoxid nicht alle der eingelagerten Lithium-Ionen freigeben und es lässt nur wenige stabile Lade-Entlade-Zyklen zu. Denn beim Laden dringen die Lithium-Ionen in das Kristallgitter ein, sodass die Elektrodenpartikel insgesamt anschwellen, nur um zu schrumpfen, sobald die Ionen die Partikel verlassen. Das kann dazu führen, dass sich die Struktur des Elektrodenmaterials verändert und Kontakte verloren gehen.

Daher musste eine Lösung gefunden werden, damit das Elektrodenmaterial bei maximierter Kapazität seine Struktur beibehält. Die Idee: statt einer kristallinen Form ein Vanadium-«Glas» verwenden. Um das Material für die Batteriekathode herzustellen, vermengten die Wissenschaftler pulverförmiges Vanadiumpentoxid mit glasbildenden Boraten. Sie schmolzen das Pulver bei 900 °C und kühlten die Schmelze so rasch als möglich ab. Dabei entstanden hauchdünne Glasplättchen, die vor ihrer Verwendung wieder zu Pulver zerstossen wurden, um die Oberfläche zu vergrößern und Porenraum zu schaffen.

Um eine leistungsfähige Elektrode zu erzeugen, wurde das Vanadat-Borat-Pulver mit reduziertem Graphitoxid (RGO) beschichtet, das die Leitfähigkeit erhöht und die Elektrodenpartikel schützt, aber nicht die Elektronen und Lithium-Ionen bei ihrem Transport durch die Elektrode behindert. Aus dem neuen Material wurde die Kathode gestaltet und in einen Knopfzellenbatterieprototypen eingesetzt.

Zu Testzwecken wurden diese Prototypen zahlreichen Lade-Entlade-Zyklen unterzogen. Bei ersten Versuchen mit Vanadat-Borat-Elektroden, die nicht mit RGO beschichtet wurden, fiel die Entladekapazität nach 30 Lade-Entlade-Zyklen drastisch ab, sobald die gespeicherte Ladungsmenge auf 400 mA/g erhöht wurde. Mit RGO-Beschichtung hingegen blieb die Kapazität auch bei ziemlich hohen Stromraten über 100 Lade-Entlade-Zyklen stabil.

Eine Batterie mit einer RGO-beschichteten Vanadat-Borat-Elektrode verfügte über eine Energiedichte von rund 1.000 Wh/kg. Sie erreichte eine Entladekapazität, die deutlich über 300 mAh/g  lag. Anfänglich lag diese sogar bei 400 mAh/g, verringerte sich allerdings im Lauf der Lade-Entlade-Zyklen. Noch sind diese Werte allerdings rechnerischer Natur.