Lithium-Metall-Batterien Neues Batterie-Design senkt Kosten für Herstellung und Umwelt

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Lithium-Metall-Batterien könnten die nächste Generation von Hochleistungs-Batterien darstellen, denn sie können etwa die Reichweite von Elektrofahrzeugen spürbar erhöhen. Das Fluor, das in den Batterien zum Einsatz kommt, ist allerdings nicht sonderlich gut für die Umwelt. Forscher der ETH haben ein neues Batterie-Design entworfen, das nur einen Bruchteil der bisherigen Fluor-Menge benötigt.

Lithium-Metall-Batterien sind eine Art von wiederaufladbaren Batterien, die metallisches Lithium statt wie Lithium-Ionen-Batterien Graphit als Anodenmaterial verwenden. Akkus mit Lithium-Metall haben das Potenzial, die Energiespeicherungstechnologie erheblich zu verbessern, insbesondere in Bezug auf Energiedichte und Gewicht. Bedeutet, dass Elektrofahrzeuge mit Lithium-Metall-Akkus eine höhere Reichweite erreichen und die Akkus von Smartphones länger durchhalten könnten.

Dennoch ist nicht alles Gold, was glänzt, und es müssen für den Masseneinsatz noch einige Herausforderungen bewältigt werden, die die Sicherheit und Lebensdauer der Lithium-Metall-Batterien betreffen. Lithium-Metall neigt dazu, während des Lade- und Entladeprozesses dendritische Strukturen zu bilden, die die Batterie kurzschließen und potenziell Feuer fangen können. Diese Dendritenbildung kann auch die Lebensdauer der Batterie erheblich verringern, da sie die Zelle mechanisch beschädigen und den elektrochemischen Prozess stören.

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Die Dendritenbildung wird bei aktuellen Konzepten der Lithium-Metall-Batterien durch hohe Mengen an fluorhaltigen Lösungsmitteln und Salzen in der Elektrolytflüssigkeit kontrolliert. Fluor und seine Verbindungen können allerdings durch ihre Toxizität, ihre Fähigkeit zur Bioakkumulation, ihre Rolle bei der Luft- und Wasserverunreinigung sowie durch ihre Auswirkungen auf ganze Ökosysteme schädlich für die Umwelt sein. Deswegen haben sich die Forscher rund um Maria Lukatskaya, ETH-Professorin für Elektrochemische Energiesysteme, auf die Suche nach einem Batterie-Design gemacht, das die Reduzierung der benötigten Fluorverbindungen erlaubt. Und sie sind fündig geworden.

Ohne fluorierte Verbindungen wird die Lithium-Metall-Batterie instabil

 In Energy & Environmental Science wurde die Studie „Robust battery interphases from dilute fluorinated cations“ vom Team rund um Lukatskaya veröffentlicht, der sich mit der Kontrolle der Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI, Solid Electrolyte Interphase) in Batterien beschäftigt, ohne dass dabei hohe Anteile fluorierter Lösungsmittel zum Einsatz kommen. Das vorgeschlagene Design erhöht nicht nur die Stabilität und Umweltfreundlichkeit der Lithium-Metall-Batterien, sondern reduziert obendrein die Kosten.

Die fluorierten Verbindungen dienen dabei der Bildung einer Schutzschicht um den Minuspol der Batterie, um das Lithium-Metall vor der Reaktion mit den Bestandteilen des Elektrolyts zu schützen. Ohne die Schutzschicht, die Lukatskaya passenderweise mit Zahnschmelz vergleicht, würden sich die zuvor erwähnten Dendriten statt einer gleichmäßigen Schicht bilden. „Wir haben überlegt, wie wir die Menge an zugesetztem Fluor reduzieren können, ohne dass die Schutzschicht an Stabilität verliert“, erklärt Doktorand Nathan Hong aus Lukatskayas Team.

Die Reduktion von Fluoranteil

Die neue Methode der Forscher nutzt elektrostatische Anziehung zur Verhinderung der Dendrite. „Die ETH-Forschenden haben ein Konzept entwickelt, bei dem elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle als Vehikel dienen, um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen. Auf diese Weise benötigen sie bezogen auf die Elektrolytflüssigkeit nur 0,1 Gewichtsprozent Fluor, was mindestens 20-mal weniger ist als in früheren Studien“, wird erklärt. Diese neue Methode wurde von den Forschern zum Patent angemeldet, in deren Rahmen die Entdeckung des richtigen Moleküls beschrieben wird, das ans Fluor angehangen werden kann, um den gewünschten Effekt zu erreichen. Dieses muss sich gleichzeitig unter den richtigen Bedingungen auch wieder zersetzen, wenn es das Lithium-Metall erreicht.

Ein Vorteil der neu gefundenen Methode sei, dass sie sich in bereits bestehende Produktionsprozesse integrieren lässt, sodass mit Blick auf die Prozesse keine Zusatzkosten entstehen. Die Forscher haben dabei im Labor eine Batterie von der Größe einer Münze verwendet. Im nächsten Schritt wird die Skalierung der Größe der Batterie angestrebt. Ebenso will man die Methode an Pouch-Zellen erproben. (sb)

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