Akkutechnologien Langlebiges Elektrodenmaterial für Festkörperakkus

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Wissenschaftler haben ein positives Elektrodenmaterial entwickelt, das auch nach wiederholten Ladezyklen nicht nachlässt, um langlebige Festkörperakkus herzustellen, die sich ideal für Elektrofahrzeuge eignen.

Elektroautos gelten weithin als unsere beste Chance, herkömmliche Autos durch eine umweltfreundlichere Alternative zu ersetzen. Elektrofahrzeuge werden jedoch mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben, die derzeit nicht die erforderliche Leistung und Haltbarkeit zu einem vernünftigen Preis bieten.

Festkörperakkus haben jedoch in den letzten Jahren bei Forschern, die nach Alternativen suchen, stark an Bedeutung gewonnen. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus einen flüssigen Elektrolyten enthalten, in dem die Lithium-Ionen während des Lade-/Entladevorgangs fließen, bestehen Festkörperakkus vollständig aus festen Materialien. Neben einer massiven Verbesserung der Betriebssicherheit – da diese Akkus beim Durchstoßen keine giftigen Flüssigkeiten freisetzen – lassen sich Festkörperakkus viel schneller aufladen.

Bisher gab es jedoch ein ungelöstes Problem bei Festkörperakkus, das ihre Haltbarkeit einschränkte. Wenn Lithiumionen in die Elektroden des Akkus eingebracht oder aus ihnen entnommen werden, verändert sich die kristalline Struktur des Materials, wodurch sich die Elektrode ausdehnt oder zusammenzieht. Diese wiederholten Volumenveränderungen beschädigen die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyten und führen zu irreversiblen Veränderungen in der Kristallchemie der Elektroden.

Neuartiges Elektrodenmaterial

Vor diesem Hintergrund untersuchte ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Naoaki Yabuuchi von der Yokohama National University, Japan, ein neuartiges positives Elektrodenmaterial mit bisher unerreichter Stabilität in Festkörperakkus. Ihre Arbeit, die in Nature Materials veröffentlicht wurde, wurde von Associate Professor Neeraj Sharma von der UNSW Sydney, Australien, und Dr. Takuhiro Miyuki von LIBTEC, Japan, mitverfasst.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf das Material Li_8/7Ti_2/7V_4/7O₂, ein binäres System, das aus optimierten Anteilen von Lithiumtitanat (Li₂TiO₃) und Lithiumvanadiumdioxid (LiVO₂) besteht. Wenn dieses Material auf eine geeignete Partikelgröße in der Größenordnung von Nanometern heruntergemahlen wird, bietet es eine hohe Kapazität dank seiner großen Menge an Lithiumionen, die während des Lade-/Entladevorgangs reversibel eingefügt und entnommen werden können.

Elektrodenmaterial mit nahezu konstantem Volumen

Im Gegensatz zu anderen positiven Elektrodenmaterialien hat Li_8/7Ti_2/7V_4/7O₂ eine besondere Eigenschaft, die es von anderen unterscheidet: Es hat fast das gleiche Volumen, wenn es vollständig geladen und vollständig entladen ist. Die Forscher analysierten den Ursprung dieser Eigenschaft und kamen zu dem Schluss, dass sie das Ergebnis eines feinen Gleichgewichts zwischen zwei unabhängigen Phänomenen ist, die auftreten, wenn Lithiumionen in den Kristall eingebracht oder aus ihm entnommen werden.

Einerseits führt die Entfernung von Lithiumionen, die so genannte Delithiierung, zu einer Vergrößerung des freien Volumens im Kristall, wodurch dieser schrumpft. Andererseits wandern einige Vanadium-Ionen von ihrer ursprünglichen Position in die von den Lithium-Ionen hinterlassenen Räume und nehmen dabei eine höhere Oxidationsstufe an. Dies führt zu einer abstoßenden Wechselwirkung mit Sauerstoff, die wiederum eine Ausdehnung des Kristallgitters bewirkt.

„Wenn sich Schrumpfung und Ausdehnung die Waage halten, bleibt die Formstabilität erhalten, während der Akku geladen oder entladen wird, d. h. während des Zyklus“, erklärt Prof. Yabuuchi. „Wir gehen davon aus, dass ein wirklich dimensionsstabiles Material, das sein Volumen bei elektrochemischen Zyklen beibehält, durch weitere Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten entwickelt werden könnte.

Überlegene Zellleistung

Die Forscher testeten das neue positive Elektrodenmaterial in einer Festkörperzelle, indem sie es mit einem geeigneten Festelektrolyten und einer negativen Elektrode kombinierten. Diese Zelle wies eine Kapazität von 300 mAh/g auf, die sich über 400 Lade-/Entladezyklen hinweg nicht verschlechterte.

„Die Tatsache, dass die Kapazität über 400 Zyklen hinweg nicht nachlässt, ist ein klarer Hinweis auf die überlegene Leistung dieses Materials im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperzellen mit geschichteten Materialien“, so Prof. Sharma. „Diese Erkenntnis könnte die Akkukosten drastisch senken. Die Entwicklung praktischer Hochleistungs-Festkörperakkus kann auch zur Entwicklung fortschrittlicher Elektrofahrzeuge führen.“

Über eine weitere Verfeinerung dimensionsinvarianter Elektrodenmaterialien könnte es bald möglich sein, Akkus herzustellen, die in Bezug auf Preis, Sicherheit, Kapazität, Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer gut genug für Elektrofahrzeuge sind. „Die Entwicklung von langlebigen und leistungsstarken Festkörperakkus würde einige der Probleme von Elektrofahrzeugen lösen“, betont Prof. Yabuuchi. „In Zukunft könnte es zum Beispiel möglich sein, ein Elektrofahrzeug in nur fünf Minuten vollständig aufzuladen.

Die Forscher sind an weiteren Fortschritten auf diesem Gebiet interessiert, welche die Einführung von Elektroautos beschleunigen und dazu beitragen würden, eine grünere Zukunft für unseren Planeten zu schaffen.

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