6000 Ladezyklen und schnelle Aufladung: Harvard-Team entwickelt neue Lithium-Batterie
Lithium-Ionen-Akkus sind in der Elektromobilität noch der Standard. Allerdings gelten Technologien wie Festkörperakkus in dem Bereich als die Zukunft. Forscher:innen der US-Eliteuniversität Harvard haben eine neue Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die 6000 Ladezyklen übersteht. Das Aufladen soll dabei nur wenige Minuten dauern.
Der heilige Gral der Batterien
Die Forscher:innen beschreiben einen neuen Weg zur Herstelllung von Festkörperbatterien mit einer Lithium-Metall-Anode. Dabei werden die sogenannten Dendriten vermieden, die herkömmliche Batterien zerstören können.
„Lithium-Metall-Anoden-Batterien gelten als der heilige Gral der Batterien, da sie eine zehnmal höhere Kapazität als handelsübliche Graphitanoden haben und die Reichweite von Elektrofahrzeugen drastisch erhöhen könnten. Unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu praktischeren Festkörperbatterien für industrielle und kommerzielle Anwendungen„, erklärt Xin Li, der die Studie an der Universität Harvard geleitet hat.
Gemeinsam mit seinen Kolleg:innen fand Li einen Weg, die Bildung von Dendriten auf der Oberfläche der Anode zu verhindern. Die sogenannten Dendriten wachsen wie Wurzeln in den Elektrolyten hinein und durchdringen dabei die Barriere zwischen Anode und Kathode, was einen Kurzschluss hervorrufen kann. Im schlimmsten Fall fangen betroffene Batterien sogar Feuer.
Die Dendriten bilden sich dann, wenn Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode wandern. An der Anode lagern sie sich dann an, was zu einer inhomogenen Oberfläche führt.
Diese Oberfläche begünstigt dann die Anlagerung von Dendriten. Wenn die Batterie sich entlädt, dann muss die Beschichtung von der Anode entfernt werden. Eine ungleichmäßige Beschichtung kann den Ablösungsprozess verlangsamen und Rückstände auf der Anode hinterlassen, die dann im nächsten Ladezyklus zu einer noch ungleichmäßigeren Beschichtung führt.
Aufgeladen in zehn Minuten
Im Rahmen ihrer jüngsten Forschungsarbeit fanden die Forscher:innen einen Weg, die Bildung solcher Dendriten komplett zu verhindern. Dabei kommen mikroskopisch kleine Siliziumpartikel in der Anode zum Einsatz, die die Lithiumreaktion einschränken, was die homogene Abscheidung der Schicht erleichtert.
„ In unserem Design wird das Lithiummetall um das Siliziumpartikel gewickelt, wie eine harte Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einem Schokoladentrüffel„, so Li. Dadurch entsteht dann eine homogene Oberfläche, über die sich die Stromdichte gleichmäßig verteilt, was die Bildung von Dendriten verhindert. Das führe auch dazu, dass die Batterie sehr schnell geladen werden kann. Eine Aufladung nimmt nur etwa zehn Minuten in Anspruch. Ein kleiner Prototyp der Batterie behielt zudem im Praxistest nach 6.000 Ladezyklen noch 80 Prozent ihrer Originalkapazität.
„ Frühere Forschungen hatten ergeben, dass auch andere Materialien, darunter Silber, als gute Anodenmaterialien für Festkörperbatterien dienen könnten. Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrundeliegenden Mechanismus des Prozesses und bietet einen Weg, um neue Materialien für die Entwicklung von Batterien zu identifizieren„, erklärt Li.
