Ein Forschungsteam des Paul Scherrer Instituts PSI hat ein neues nachhaltiges Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Akkus steigern l\u00e4sst. Erste Tests entsprechend modifizierter Hochspannungsakkus verliefen erfolgreich. Damit k\u00f6nnten Lithium-Ionen-Akkus, zum Beispiel solche f\u00fcr Elektrofahrzeuge, deutlich effizienter werden. <\/p>\n\n\n\n
Lithium-Ionen-Akkus gelten als Schl\u00fcsseltechnologie f\u00fcr die Dekarbonisierung. Deswegen arbeiten Forschende weltweit daran, deren Leistungsf\u00e4higkeit fortlaufend zu verbessern; unter anderem durch eine Steigerung der Energiedichte. \u00abEine M\u00f6glichkeit, dies zu erreichen, liegt darin, die Betriebsspannung zu erh\u00f6hen\u00bb, sagt Mario El Kazzi vom Zentrum f\u00fcr Energie- und Umweltwissenschaften am Paul Scherrer Institut PSI. \u00abSteigt die Spannung, so steigt auch die Energiedichte.\u00bb <\/p>\n\n\n\n
Jedoch gibt es da ein Problem: Bei Betriebsspannungen von \u00fcber 4,3 Volt finden am \u00dcbergang von Kathode, dem Pluspol, und dem Elektrolyten, dem Leitmedium, starke chemische und elektrochemische Abbauprozesse statt. Die Oberfl\u00e4che der Kathodenmaterialien wird durch die Freisetzung von Sauerstoff die Aufl\u00f6sung von \u00dcbergangsmetallen und die strukturelle Rekonstruktion stark gesch\u00e4digt \u2013 was wiederum einen fortlaufenden Anstieg des Zellwiderstands und einen Kapazit\u00e4tsabfall zur Folge hat. Deswegen laufen kommerzielle Batteriezellen, zum Beispiel die von Elektroautos, bisher auch nur mit maximal 4,3 Volt. <\/p>\n\n\n\n
Um dieses Problem zu l\u00f6sen, haben El Kazzi und sein Team eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Oberfl\u00e4che der Kathode stabilisieren l\u00e4sst, indem diese mit einer d\u00fcnnen gleichm\u00e4ssigen Schutzschicht \u00fcberzogen wird. \u00dcber ihre Entdeckung berichten die Forschenden in einer Studie im Fachblatt ChemSusChem <\/em>(Wiley). <\/p>\n\n\n\n
Kleiner Akku-Guide<\/strong> – Sie stecken in Mobiltelefonen, Laptops, Elektrowerkzeugen, Elektroautos und station\u00e4ren Energiespeichern: Lithium-Ionen-Akkus. Genannt werden die Allrounder unseres elektrifizierten Alltags so, weil es Lithium-Ionen sind, die beim Laden und Entladen zwischen den beiden Elektroden, Kathode und Anode, hin- und herwandern. Sie bewegen sich dabei durch den fl\u00fcssigen Elektrolyten und passieren den Separator, der die Elektroden trennt. W\u00e4hrend die Anode, der Minuspol, \u00fcblicherweise aus Grafit oder Silizium besteht, weist die Kathode, der Pluspol, ganz unterschiedliche chemische Zusammensetzungen auf. Besteht sie zum Beispiel neben Lithium aus Nickel, Kobalt und Mangan, spricht man von einer NCM-Batterie. Bei einer Kathode aus Lithium-Eisen-Phosphat handelt es sich um eine LFP-Batterie.\u00a0<\/p>\n\n\n\n
Betriebsspannungen von bis zu 4,8 Volt <\/strong><\/p>\n\n\n\n
Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Gas, das bei der Herstellung von Kunststoffen wie PTFE, PVDF und Schaumstoff als Nebenprodukt entsteht: Trifluormethan mit der chemischen Summenformel CHF3<\/sub>. Im Labor leiteten El Kazzi und sein Team bei 300 Grad Celsius eine Reaktion zwischen dem CHF3<\/sub> und der d\u00fcnnen Schicht aus Lithiumkarbonat ein, welche die Oberfl\u00e4che der Kathoden bedeckt. Dabei wandelt sich das Lithium an der Grenzschicht in Lithiumfluorid (LiF) um. Wichtig dabei: Die Lithium-Atome des Kathodenmaterials bleiben dabei als Ionen erhalten, also als positiv geladene Teilchen. Diese Lithium-Ionen m\u00fcssen n\u00e4mlich beim Laden und Entladen zwischen der Kathode und der Anode, dem Minuspol, weiter hin- und herwandern k\u00f6nnen, damit die Akkukapazit\u00e4t im sp\u00e4teren Betrieb nicht beeintr\u00e4chtigt ist. <\/p>\n\n\n\n
In einem weiteren Schritt pr\u00fcften die Forschenden die Wirksamkeit der Schutzschicht, indem sie elektrochemische Tests bei hohen Betriebsspannungen durchf\u00fchrten. Das erfreuliche Ergebnis: Die Schutzschicht blieb auch bei hohen Spannungen stabil. Sie sch\u00fctzt das Kathodenmaterial so gut, dass Betriebsspannungen von 4,5 und sogar 4,8 Volt m\u00f6glich sind.<\/p>\n\n\n\n
Im Vergleich zu Batterien mit ungesch\u00fctzten Kathoden schnitten die beschichteten bei allen wichtigen Parametern deutlich besser ab. So war die Impedanz, also der Widerstand f\u00fcr die Lithium-Ionen an der Grenzfl\u00e4che der Kathode, nach einhundert Auf- und Entladedurchg\u00e4ngen um rund 30 Prozent niedriger als bei den Batterien mit unbehandelter Kathode. \u00abEin eindeutiges Zeichen daf\u00fcr, dass unsere Schutzschicht den Anstieg des Widerstandes abschw\u00e4cht, der durch die sonst stattfindenden Grenzfl\u00e4chenreaktionen auftritt\u00bb, erkl\u00e4rt El Kazzi. <\/p>\n\n\n\n
Verglichen wurde auch der Kapazit\u00e4tserhalt. Dieser steht f\u00fcr die Menge an Lithium-Ionen, die nach einer bestimmten Anzahl Auf- und Entladedurchg\u00e4ngen immer noch von der Kathode zur Anode wandern k\u00f6nnen. Je n\u00e4her dieser Wert an 100 Prozent liegt, desto geringer ist der Kapazit\u00e4tsabfall. Auch hier erwies sich der Akku mit beschichteter Kathode in den Tests als \u00fcberlegen: Der Kapazit\u00e4tserhalt lag bei \u00fcber 94 Prozent nach 100 Lade- und Entladedurchg\u00e4ngen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit, w\u00e4hrend der unbehandelte Akku auf nur 80 Prozent kam. <\/p>\n\n\n\n
Universelle L\u00f6sung mit indirektem Klimaschutz<\/strong><\/p>\n\n\n\n
Das am PSI entwickelte Beschichtungsverfahren \u00f6ffnet neue Wege, die Energiedichte von verschiedenen Batterietypen zu steigern: \u00abWir k\u00f6nnen davon ausgehen, dass unsere Lithiumflorid-Schutzschicht universell und bei den meisten Kathodenmaterialien anwendbar ist\u00bb, betont El Kazzi. \u00abSie funktioniert zum Beispiel auch bei Nickel- und Lithium-reichen Hochspannungsbatterien.\u00bb <\/p>\n\n\n\n
Ein weiterer wichtiger Aspekt des neuen Verfahrens: Trifluormethan ist ein hochwirksames Treibhausgas und mehr als 10 000-mal klimasch\u00e4dlicher als Kohlendioxid, weswegen es keinesfalls in die Atmosph\u00e4re gelangen sollte. F\u00fcr El Kazzi stellt die Umwandlung in eine einheitliche d\u00fcnne LiF-Schutzschicht auf der Oberfl\u00e4che von Kathodenmaterialien eine effiziente L\u00f6sung dar, das Gas zu monetarisieren, indem es Teil einer Kreislaufwirtschaft wird. Mit dem neuen Beschichtungsverfahren l\u00e4sst sich CHF3 <\/sub>recyceln und als Schutzschicht in Hochspannungskathoden langfristig binden. <\/p>\n\n\n\n