University of California San Diego Smartphone-Komponente verbessert Lithium-Metall-Batterien

Dieses Bauteil, das mechanische Schwingungen erzeugt, bewirkt, dass der Elektrolyt in der Lithium-Metall-Batterie zirkuliert. Es stammt aus einem handelsüblichen Smartphone.
Dieses Bauteil, das mechanische Schwingungen erzeugt, bewirkt, dass der Elektrolyt in der Lithium-Metall-Batterie zirkuliert. Es stammt aus einem handelsüblichen Smartphone.

Meist konzentrieren sich Batterieforscher darauf, die perfekte Chemie zu finden, damit Batterien länger halten und schneller geladen werden können. Einen anderen Ansatz wählten Forscher der University of California San Diego. Durch eine Smartphone-Komponente lassen sie den Elektrolyten zirkulieren.

Lithium-Metall-Batterien (LMBs) haben eine doppelt so hohe Kapazität wie die besten Lithium-Ionen-Batterien von heute. In diesem Fall hätten beispielsweise Elektroautos mit einem solchen Energiespeicher bei gleichem Batteriegewicht die doppelte Reichweite oder bei gleicher Reichweite das halbe Batteriegewicht im Vergleich zu Fahrzeugen mit Lithium-Ionen-Akku. Allerdings galten LMBs bislang als wenig praktikable Option, da ihre Nutzungsdauer zu kurz ist.

Grund dafür ist, dass bei herkömmlichen Metallbatterien die Elektrolytflüssigkeit zwischen Kathode und Anode still steht. Dadurch steigt beim Laden die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Lithium ungleichmäßig auf der Anode ablagert. So können nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, unkontrolliert von der Anode zur Kathode wachsen. Dadurch kann es zu einem Kurzschluss kommen und die Batterie kann sogar Feuer fangen. Schnelles Laden beschleunigt leider dieses Phänomen.

Das will ein an Forscherteam der Jacobs School of Engineering an der University of California San Diego nun geändert haben. Es hat ein Bauteil entwickelt, das integraler Bestandteil der Batterie ist und akustische Wellen hoher Frequenz aussendet und dadurch den flüssigen Elektrolyten zwischen Anode und Kathode zirkulieren lässt. Das Bauelement setzt sich aus handelsüblichen Smartphone-Komponenten zusammen. Solche akustischen Resonatoren (BAW/SAW) filtern das Mobilfunksignal und identifizieren und Sprache und Daten voneinander trennen. Weil der Elektrolyt zirkuliert, sinkt wiederum die Wahrscheinlichkeit, dass sich Dendriten bilden. Obwohl sich das Forschungsteam auf LMBs konzentrierte, könne das Bauteil, so die Forscher, in jeder Batterie eingesetzt werden, unabhängig von der Zellchemie.

Die Forscher konnten zeigen, dass eine mit diesem Bauteil ausgestattete Lithium-Metall-Batterie 250 Zyklen geladen und entladen werden kann, eine Lithium-Ionen-Batterie jedoch mehr als 2000 Zyklen. Die Batterien wurden bei jedem Zyklus innerhalb von zehn Minuten von Null auf 100 Prozent aufgeladen.

Der schwierigste Teil des Prozesses war die Entwicklung des Bauteils, sagte An Huang, die Erstautorin der Arbeit und Doktorandin der Materialwissenschaften an der UC San Diego. Die Herausforderung bestand darin, in extrem kleinem Maßstab zu arbeiten, die physikalischen Phänomene zu verstehen und einen effektiven Weg zu finden, das Bauteil in die Batterie zu integrieren. Der nächste Schritt, so die Forscher, bestehe darin, diese Technik in kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien zu integrieren.

Die Technik wurde von der UC San Diego an Matter Labs lizenziert, einer Firma für Technologieentwicklung mit Sitz in Ventura, Kalifornien. Die Lizenz ist nicht exklusiv.

Die Arbeit wurde vom US-amerikanischen Energieministerium und dem Team von Accelerating Innovation to Market der UC San Diego finanziell gefördert. Sie ist durch Patente geschützt: US#16/331,741-- »Acoustic wave based dendrite prevention for rechargeable batteries« and vorläufig# 2019-415 -- »Chemistry-agnostic prevention of ion depletion and dendrite prevention in liquid electrolyte«.

Originalpublikation

An Huang, Haodong Liu, Ofer Manor, Ping Liu, and James Friend, Enabling Rapid Charging Lithium Metal Batteries via Surface Acoustic Wave‐Driven Electrolyte Flow, Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.201907516