Zusätze machen Lithium-Akkus sicherer

29. Juni 2015, 13:16 Uhr
Konventionelle Zellen vs. mit Zusätzen optimierte Zellen
Konventionelle Zellen vs. mit Zusätzen optimierte Zellen
Einer Kooperation von Forschern der Stanford University, des MIT und des National Accelerator Laboratory des US Departments of Energy gelang die Entwicklung von Zusätzen, die bei Lithium-Akkus das Wachsen von sogenannten Dendriten so verhindern, dass der Separator in den Zellen durchstoßen und ein Kurzschluss mit den bekannten Resultaten Feuer & Rauch ausgelöst werden kann. Das Resultat sind Lithium-Akkus, die deutlich sicherer sind.

Laut einem Artikel in der Fachzeitschrift Nature Communications könnte dieser Durchbruch dazu beitragen, die Weiterentwicklung spezieller Typen wie Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Akkus zu beschleunigen, die pro Masse bis zu dem Zehnfachen der heutigen Lithium-Akkus an Energie speichern können. Bei den zwei untersuchten Zusätzen handelt es sich um Lithium-Nitrat, das schon lange bezüglich Leistungsverbesserungen erforscht wird, sowie um Lithium-Polysulfid, dessen Entstehung im Degradationsprozess von Schwefel-Elektroden bislang als störend gewertet wurde, da es zur Lithium-Elektrode migriert und dort destruktiv ist.

Die Forscher entdeckten nun aber, dass die Kombination beider Materialien noch nie untersucht wurde, weswegen auch verborgen blieb, dass diese Chemikalien mit metallischem Lithium reagieren und sich so eine stabile Oberfläche als Grenzfläche zwischen Lithium und Elektrolyt bildet. Sie untersuchten daher Knopfzellen mit unterschiedlichen Konzentrationen dieser Zusätze. Nach etlichen Ladezyklen wurden die Elektroden mit einem Elektronen-Mikroskop und mit Röntgenstrahlen untersucht. Dabei wurde eine optimale Konzentration der beiden Additive festgestellt, die das Dendritenwachstum verhinderte. Stattdessen zeigten sich dabei harmlose flache Aufwüchse. Die metallische Lithium-Elektrode erhielt dadurch eine Beschichtung, die einer Alterung entgegenwirkt und somit sogar die Leistungsfähigkeit des Akkus steigert.

In den Tests zeigte sich, dass die so optimierten Akkus auch nach über 300 Ladezyklen noch eine Restkapazität von 99% aufwiesen. Das ist deutlich besser als normale Lithium-Akkus, die schon nach etwa 150 Zyklen merkliche Verschlechterungen aufwiesen. Als nächster Schritt ist geplant, die Methode auch bei großformatigeren Zellen zu untersuchen, um der praktischen Einsetzbarkeit näher zu kommen. Das Verfahren könnte darüber hinaus auch bei anderen Elektrodenmaterialien wie Aluminium, Magnesium oder gar Kalzium wirksam sein, sodass sich dadurch Akkus entwickeln lassen könnten, die eine deutlich höhere Energiedichte als heute aufweisen. Weitere Informationen finden sich auf der Webseite des National Accelerator Laboratory.
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