MIT: Neue Elektroden können Batterien leichter und leistungsfähiger machen

Ingenieuren des MIT, der Polytechnischen Universität Hongkong, der University of Central Florida, der University of Texas in Austin und den Brookhaven National Laboratories in Upton, New York ist es gelungen, mehr Strom pro Kilogramm Batterie zu speichern und länger halten können. Ihre Forschungen unterstützen das Ziel, reines Lithiummetall als eine der Elektroden der Batterie zu verwenden.

Die neu konzipierte Anode stammt aus dem Labor von Ju Li, Professor der Battelle Energy Alliance für Nuklearwissenschaften und -technik und für Materialwissenschaften und -technik. Gemeinsam mit Yuming Chen und Ziqiang Wang vom sowie elf weiteren Forschern veröffentlichte Li die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature.

„Atmende Elektroden“ machen Festkörperbatterien zu schaffen

Das Design ist Teil eines Konzepts zur Entwicklung sicherer Festkörperbatterien, bei dem auf das flüssige oder polymere Elektrolyt-Gel verzichtet wird. Der Elektrolyt ermöglicht es den Ionen, während der Lade- und Entladezyklen der Batterie hin und her zu wandern. Eine vollständig feste Version könnte sicherer sein als flüssige Elektrolyte, die eine hohe Flüchtigkeit aufweisen und in der Vergangenheit mehrfach zu Explosionen von Lithium-Ionen-Akkus führten.

„Es gab eine Menge Arbeit an Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Elektroden und Festelektrolyten“, sagt Li. Viele Ansätze führten jedoch zu einer Reihe von neuen Problemen.

Eines der größten Probleme besteht darin, dass sich beim Aufladen der Batterie Atome im Inneren des Lithiummetalls ansammeln, wodurch es sich ausdehnt. Beim Entladen, wenn die Batterie benutzt wird, schrumpft das Metall dann wieder. Diese wiederholten Änderungen der Abmessungen des Metalls, ähnlich wie beim Ein- und Ausatmen, erschweren den ständigen elektrischen Kontakt. Zudem begünstigen die Bewegungen, dass Festelektrolyten brechen oder sich zu lösen.

Chemische Seperatoren trennen Elektroden und Elektrolyte

Auch die hohe Reaktionsfreudigkeit von Lithium erschwert die Entwicklung von Festkörperbatterien, da viele vorgeschlagene Festelektrolyte in Kontakt mit Lithium dazu neigen, sich zu zersetzen. Bisher sollten vor allem chemisch stabile Materialien das Zersetzen der Festelektrolyte vermeiden. Mit mäßigem Erfolg.

Li und sein Team verwenden stattdessen zwei zusätzliche Klassen von Festkörpern, „gemischte ionisch-elektronische Leiter“ (MIEC) und „Elektronen- und Li-Ionen-Isolatoren“ (ELI), die im Kontakt mit Lithiummetall absolut chemisch stabil sind.

Die Forscher entwickelten zudem eine dreidimensionale Nanoarchitektur, die teilweise mit dem festen Lithiummetall durchdrungen sind. Diese Strukturen bilden eine Elektrode der Batterie, wobei innerhalb jeder Röhre zusätzlicher Raum verbleibt. Wenn sich das Lithium während des Ladevorgangs ausdehnt, „fließt“ es in den leeren Raum im Inneren der Röhren.

„Ein Motor mit 10 Milliarden Zylindern“

Die Hohlräume in jeder Röhre der Struktur ermöglichen dem Lithium, „nach hinten in die Röhren zu kriechen“, so Li. Das Lithium bewegt sich in diesen Röhren nach innen und außen, ähnlich wie die Kolben eines Automotors in ihren Zylindern. Mit Strukturen im Nanobereich – die Röhren haben einen Durchmesser von etwa 100 bis 300 Nanometern und eine Höhe von einigen zehn Mikrometern – ist das Ergebnis wie „ein Motor mit 10 Milliarden Kolben, mit Lithiummetall als Arbeitsflüssigkeit“, sagt Li.

Diese, vollständig im Inneren der Wabenstruktur eingeschlossene Bewegung, entlastet die Batteriestruktur, ohne jedoch die äußeren Abmessungen der Elektrode oder die Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt zu verändern. Das andere Material, der ELI, dient als mechanisches Bindemittel zwischen den MIEC-Wänden und der festen Elektrolytschicht.

Da die Wände der Strukturen aus chemisch stabilem MIEC bestehen, verliert das Lithium nie den elektrischen Kontakt mit dem Material, sagt Li. So bleibt die gesamte Festkörperbatterie über ihren Nutzungszyklus mechanisch und chemisch stabil. Ein Test mit 100 Lade- und Entladezyklen bestätigte die Stabilität und zeigte keinen Bruch der Feststoffe.

Neue Elektroden erhöhen Sicherheit und Leistungsdichte

Li sagt, dass, obwohl viele andere Gruppen an sogenannten Feststoffbatterien arbeiten, die meisten dieser Systeme aber tatsächlich mit einer Mischung aus flüssigen und festem Elektrolyt arbeiten. „Aber in unserem Fall“, sagt er, „ist wirklich alles fest. Es ist weder flüssig noch gelartig“, sagt er.

Das neue System könnte zu sicheren Anoden führen, die bei gleicher Speicherkapazität nur ein Viertel konventioneller Elektroden wiegen. Zusammen mit leichteren Kathoden könnte dies zu einer erheblichen Gewichtseinsparung von Lithium-Ionen-Batterien führen. So hofft das Team beispielsweise, dass Mobiltelefone künftig nur alle drei Tage aufgeladen werden müssen, ohne dass sie durch leistungsfähigere Akkus schwerer oder größer würden.

Ein Konzept für eine leichtere Kathode wurde von Li und einem anderen Team bereits zuvor in der Zeitschrift Nature Energy beschrieben. Diese Elektroden würden zudem den Einsatz von teurem und giftigen Nickel und Kobalt reduzieren. Stattdessen stützt sich die neue Technik auf die Redox-Kapazität von Sauerstoff, der viel leichter und reichlicher vorhanden ist. Damit könnten die Kosten für Kathoden um etwa 80 Prozent sinken.

Da Sauerstoffionen deutlich mobiler sind als Nickel und Kobalt, könnten sie aus den Kathodenpartikeln entweichen. Um dies zu verhindern, entwickelten die Forscher eine Hochtemperatur-Oberflächenbehandlung mit geschmolzenem Salz. Dies führt zu einer schützenden Oberflächenschicht auf Partikeln aus mangan- und lithiumreichem Metalloxid, die den Sauerstoffverlust drastisch reduziert.

Zusammen bieten die gegenwärtigen Entwicklungen im Labormaßstab eine mindestens 50-prozentige Verbesserung der Leistungsdichte (Energiemenge pro Gewicht) bei gleichzeitig besserer Zyklenfestigkeit. „Ich gehe [aber] davon aus, dass sich dies sehr schnell vergrößern lässt“, sagt Li. (mit Material des MIT)