Robert Klatt
Lithium-Metall-Batterien haben eine deutlich höhere Energiedichte, konnten bisher aufgrund ihrer schlechten Haltbarkeit aber bisher nicht in Elektroautos verbaut werden. Ein neues Elektrolyt mit dem Zahnpastainhaltsstoff Fluorid erhöht die Zyklenstabilität deutlich.
Chicago (U.S.A.). In Deutschland liegen die Total Costs of Ownership (TCO) eines Elektroautos laut einer Studie des Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI) bereits jetzt signifikant unter den Kosten eines ähnlichen Verbrenners. Trotzdem verhindern kognitive Verzerrungen, die bereits in Hinblick auf die Reichweite von Elektroautos bestehen, oft den Kauf der ökonomisch sinnvolleren Fahrzeuge. Forschungseinrichtungen und die Industrie arbeiten deshalb an neuen Akkutechnologien, um die Reichweite von Elektroautos weiter zu erhöhen.
Forscher des Argonne National Laboratory (ANL), eine der ältesten und größten Forschungsinstitute des Energieministerium der Vereinigten Staaten (DOE), haben im Fachmagazin Nature Communications nun ein neues Elektrolyt vorgestellt, das den Zahnpastainhaltsstoff Fluorid enthält. Laut Zhengcheng Zhang, dem Leiter der Forschungsgruppe aus der Abteilung für Chemische Wissenschaften und Technik, ermöglicht das Elektrolyt leistungsstärkere und langlebigere Batterien.
„Eine spannende neue Generation von Batterietypen für Elektrofahrzeuge jenseits von Lithium-Ionen steht am Horizont.“
Die Forschung hat sich bei der Entwicklung von neuen Batterien auf Lithium-Metall-Anoden anstelle der bei Lithium-Ionen-Batterien üblichen Grafitanoden konzentriert. Diese sogenannten Lithium-Metall-Batterien besitzen eine Kathode mit Nickel, Mangan und Kobalt (NMC). Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ist ihre Energiedichte etwa doppelt so hoch. Weil ihre Leistung innerhalb weniger als hundert Lade-Entlade-Zyklen signifikant abnimmt, werden Lithium-Metall-Batterien bisher kaum verwendet.
Bei der neuentwickelten Batterie des ANL ist das Elektrolyten, durch den Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode fließen, modifiziert. Es enthält ein zusätzliches Fluoridlösungsmittel, das laut Analysen mit der Elektronenmikroskopie und Modellrechnungen eine überlegene Schutzschicht auf den Elektroden bildet und somit die Zyklenstabilität erhöht. Die Energiedichte der Lithium-Metall-Batterie nimmt durch das ionische Fluid aus positiv und negativ geladenen Fluoridkomponenten auch nach mehreren hundert Lade- und Entladezyklen nicht ab.
„Der entscheidende Unterschied in unserem neuen Elektrolyten ist der Ersatz von Fluoratomen für Wasserstoffatome in der ringförmigen Struktur des kationischen Teils der ionischen Flüssigkeit.“
Überdies ist der neue Elektrolyt kostengünstig, umweltfreundlich und nicht entflammbar.
„Lithium-Metall-Batterien mit unserem fluorinierten Kationen-Elektrolyten könnten die Elektrofahrzeugbranche erheblich voranbringen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Elektrolyten gehen zweifellos über Lithium-Ionen-Systeme hinaus.“
Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-023-38229-7
