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Neuartiges Design

Batterien mit mehr Energie und weniger Umweltbelastung

9. Juli 2024, 10:01 Uhr | Kathrin Veigel

Lithium-Metall-Batterien gelten als die nächste Generation von Hochenergiebatterien. Sie können pro Volumen doppelt so viel Energie speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Ein neuer Ansatz für das Elektrolyt in Lithium-Metall-Batterien könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich steigern. Um diese Batterien zu stabilisieren, haben ETH-Forschende viel weniger umweltschädliches Fluor eingesetzt und so den ökologischen Fußabdruck der Batterien verringert.

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Unter den vielversprechenden Hochleistungsbatterien der nächsten Generation stehen sie ganz vorne: Lithium-Metall-Batterien. Sie können mindestens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet: Ein Elektroauto fährt mit einer Ladung doppelt so weit oder das Smartphone muss man weniger oft aufladen.

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 ihres ökologischen Fußabdrucks geht. Ohne dieses Fluor wären Lithium-Metall-Batterien instabil, sie 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, sie somit umweltfreundlicher und außerdem stabiler sowie kostengünstiger zu machen.

Effizienz und Sicherheit dank einer stabilen Schutzschicht

Die fluorierten Verbindungen aus dem Elektrolyt helfen bei der Bildung einer Schutzschicht um das Lithium-Metall am Minuspol der Batterie. »Wir können diese Schutzschicht mit Zahnschmelz vergleichen. Sie schützt das Lithium-Metall vor der ständigen Reaktion mit den Elektrolytbestandteilen«, erklärt Lukatskaya. Ohne diese Schutzschicht würde sich der Elektrolyt während des Ladevorgangs schnell entleeren, die Zelle würde versagen, und das Fehlen einer stabilen Schutzschicht würde dazu führen, dass sich während des Ladevorgangs 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. Die Kontrolle der Eigenschaften der Schutzschicht ist daher entscheidend für die Leistung einer Batterie. Eine stabile Schutzschicht erhöht die Effizienz, die Sicherheit und die Lebensdauer einer Batterie.

Den Fluoranteil minimieren

Die von den Forschern neu entwickelte Methode nutzt die elektrostatische Anziehung, um die gewünschte Reaktion zu erreichen. Die Wissenschaftler haben ein Konzept entwickelt, bei dem elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle als Vehikel dienen, 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.

Eine der größten Herausforderungen war es, das richtige Molekül zu finden, an das Fluor angehängt werden kann 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 zu generieren.

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 verwendet werden.