Durchbruch bei Festkörper-Lithium-Akkus

25. März 2019, 15:00 Uhr
Festkörper-Lithium-Metall-Akku mit hoher Energiedichte. Bild: Sangryun Kim und Shin-ichi Orimo.
Festkörper-Lithium-Metall-Akku mit hoher Energiedichte. Bild: Sangryun Kim und Shin-ichi Orimo.
Wissenschaftler der Tohoku University und der High Energy Accelerator Research Organization haben einen neuen komplexen, superionischen Hydrid-Lithium-Leiter entwickelt, der zu Festkörper-Akkus mit der bisher höchsten Energiedichte führen könnte.
 
Das neue Material, das durch die Konstruktion aus Wasserstoffclustern (komplexen Anionen) erreicht wurde, weist eine ausgesprochen hohe Stabilität gegenüber metallischem Lithium auf, was es zum idealen Anodenmaterial für Festkörper-Akkus machen würde. Solche Akkus mit Lithium-Metall-Anoden könnten die Energiedichte gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus drastisch erhöhen. Bisher war der praktische Einsatz jedoch durch den hohen Lithium-Ionen-Transferwiderstand begrenzt, der vor allem durch die Instabilität des festen Elektrolyten gegenüber metallischem Lithium verursacht wurde.
 
Der neuartige Elektrolyt bietet allerdings eine hohe Ionenleitfähigkeit und gleichzeitig hohe Stabilität gegenüber metallischem Lithium. Diese Entwicklung fürfte daher ein echter Durchbruch für Festkörper-Akkus sein, die eine metallische Lithium-Anode verwenden.

Hintergrund

Festkörper-Akkus sind aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Energiespeicher, da sie frei von den Nachteilen aktueller Lithium-Ionen-Akkus wie Elektrolytverlust, Entflammbarkeit und begrenzter Energiedichte sind. Metallisches Lithium gilt als das ultimative Anodenmaterial für Festkörper-Akkus, da es die höchste theoretische Kapazität (3,86 Ah/g) und das niedrigste Potenzial (-3,04 V gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode) unter den bekannten Anodenmaterialien aufweist.
 
Lithium-Ionen leitende Festelektrolyte sind das zentrale Thema von Festkörper-Akkus, da die Ionenleitfähigkeit und die Stabilität des festen Elektrolyten die technischen Daten des Akkus wesentlich mitbestimmen. Das grundsätzliche Problem war bisher, dass die meisten Festelektrolyte eine chemische/elektrochemische Instabilität und/oder einen schlechten physikalischen Kontakt mit metallischem Lithium aufweisen, was unerwünschte Nebenreaktionen an der Grenzfläche verursacht. Diese Nebenreaktionen führen zu einer Verminderung der Grenzflächenleitfähigkeit, was die Leistung des Akkus mit steigender Zyklenzahl stark beeinträchtigt.
 
Frühere Versuche wie die Legierung des Lithiummetalls und die Modifikation der Grenzfläche zeigten sich unzureichend, da die Problematik in der hohen thermodynamischen Reaktivität der metallischem Lithium-Anode mit dem Elektrolyten begründet liegt. Die größten Herausforderungen bei metallischem Lithium-Anoden sind hohe Stabilität und hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit des Festelektrolyten.
 
Wegen ihrer geringen Ionenleitfähigkeit wurde die Kombination komplexer Hydride mit metallischen Lithium-Anoden noch nie versucht. Mit komplexen Hydriden aber konnte eine hohe Leitfähigkeit von Lithium-Ionen bei Raumtemperatur erreicht werden. Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel A complex hydride lithium superionic conductor for high−energy−density all−solid−state lithium metal batteries in der Fachzeitschrift nature communications veröffentlicht.
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