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Forschungserfolg in Deutschland

Zyklenfeste Lithium-Metall-Batterie mit 560 Wh/kg

Lithium Metal Batteries, KIT, HIU
Mit einer vielversprechenden Kombination aus Kathode und Elektrolyt wollen die Forscherinnen und Forscher des HIU eine sehr hohe Energiedichte möglich machen.
© Amadeus Bramsiepe, KIT

Ein Team am Karlsruher Institut für Technologie und dem Helmholtz-Institut Ulm haben eine vielversprechende Kombination aus Kathode und Elektrolyt gefunden. Ihre Batterie kommt nicht nur auf 560 Wh/kg, sondern die Kapazität bleibt auch über viele Ladezyklen weitestgehend erhalten.

Bei manchen Anforderungen stoßen Lithium-Ionen-Batterien an ihre Grenzen. Dies gilt besonders für die Elektromobilität, bei der leichte, kompakte Fahrzeuge mit hohen Reichweiten gefragt sind. Als Alternative bieten sich Lithium-Metall-Batterien an, denn sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus.

Allerdings stellt ihre Stabilität mit steigender Zahl der Ladezyklen eine Herausforderung dar, weil die kobaltarme, nickelreiche Schichtkathode NCM88 mit dem üblicherweise verwendeten, kommerziell erhältlichen organischen Elektrolyten LP30 reagiert. Es 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.

Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Institut Ulm – Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) wollen nun eine Lösung gefunden haben. Statt dem Elektrolyten LP30 verwendeten sie stattdessen einen schwerflüchtigen, nicht entflammbaren ionischen Flüssigelektrolyten (Ionic Liquid Electrolyte, ILE) mit zwei Anionen. »Mithilfe des ILE lassen sich die Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode wesentlich eindämmen«, berichtet Dr. Guk-Tae Kim von der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU.

Relevante Anbieter

Lithium Metal Batteries, KIT, HIU
Mit dem ionischen Flüssigelektrolyten ILE (rechts) lassen sich Strukturveränderungen an der nickelreichen Kathode NCM88 weitgehend vermeiden; die Kapazität der Batterie bleibt über 1000 Ladezyklen zu 88 Prozent erhalten.
© Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU

Die Ergebnisse: Mit der Kathode NCM88 und dem Elektrolyten ILE erreicht die Lithium-Metall-Batterie eine Energiedichte von 560 Wh/kg und weist eine Speicherkapazität von anfänglich 214 mAh/g auf. Über 1000 Ladezyklen bleibt die Kapazität zu 88 Prozent erhalten (Bild 1). Die Coulomb-Effizienz, die das Verhältnis zwischen entnommener und zugeführter Kapazität angibt, beträgt durchschnittlich 99,94 Prozent. Da sich die vorgestellte Batterie auch durch eine hohe Sicherheit auszeichnet, könnte den Forschenden aus Karlsruhe und Ulm damit ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur kohlenstoffneutralen Mobilität gelungen sein.

Originalpublikation (Open Access)

F. Wu, et al.: Dual-anion ionic liquid electrolyte enables stable Ni-rich cathodes in lithium-metal batteries. Joule. Cell Press, 2021. DOI: 10.1016/j.joule.2021.06.014


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