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Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus
03.01.2020

Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus mit einer größeren Ladekapazität würden die Elektromobilität noch schneller vorantreiben. „Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, erklärt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS). „Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektrochemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu 30 Prozent erhöhen.“ Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), der größten deutschen Forschungsplattform für elektrochemische Speicher.

Diese Hochenergievariante bei Lithium-Ionen-Akkus macht ein spezifisches Kathodenmaterial aus: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt Verwendung fanden, werden jetzt manganreiche Komponenten mit Lithium-Überschuss eingesetzt. Dadurch wird die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial stark gesteigert. Problematisch ist jedoch bei dieser Entwicklung noch, dass bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen – also der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie –das Hochenergie-Kathodenmaterial degradiert. Das Schichtoxid wandelt sich in eine Kristallstruktur um, die ungünstige elektrochemische Eigenschaften aufweist. Als unerwünschte Folge sinkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an. Dies hat die Entwicklung von brauchbaren Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus bislang unmöglich gemacht.

Mit neuen Erkenntnissen zum Prozess der Degradation wurde nun ein großer Schritt hin zur Hochenergiebatterie erreicht. „Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft“, so Weibo Hua (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der Studie. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“ Neben diesen Ergebnissen wird offensichtlich, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht direkt aus dem Degradationsprozess initiiert sein müssen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und die beteiligten Forscher nämlich anhand von Untersuchungen erhalten, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden. Die Forschungsergebnisse machen es nun möglich, weitere Ansätze zur Minimierung der Degradation in den Schichtoxiden zu testen und in die eigentliche Entwicklungsarbeit zu diesem neuen Batterietyp einzusteigen. Diese Erkenntnisse könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13240-z#citeas 

Quellen: Karlsruher Institut für Technologie, 05.12.2019

Mehr zu CELEST: https://www.celest.de/ 

Mehr zum Exzellenzcluster: https://www.postlithiumstorage.org/   

Details zum KIT-Zentrum Energie: http://www.energie.kit.edu 

Bild: Amadeus Bramsiepe (KIT)