Einfacher Trick verlängert die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Wissenschaftler haben einen vielversprechenden Ansatz vorgestellt, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu ver­län­gern. Nennenswerte Änderungen am Design oder am Produktions­prozess sind dabei nicht nötig.

Kontrolliertes Elektrolyt

Die Forscher um Chunsheng Wang von der University of Maryland erklärten laut eines Berichts des US-Magazins TechSpot, dass sie mit einer vergleichsweise einfachen chemischen Methode eine stabile Schutzschicht auf der positiven Elektrode, der Kathode, erzeugen konnten. Genau an diesem Punkt sind frühere Versuche häufig gescheitert, da dort besonders aggressive elektrochemische Bedingungen herrschen.

Lithium-Ionen-Batterien folgen seit Jahrzehnten demselben Prinzip: Eine negative Anode und eine positive Kathode sind durch eine dünne Membran getrennt und von einem flüssigen Elektrolyt umgeben. Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen durch das Elektrolyt zwischen den Elektroden hin und her. Dabei zersetzt sich das Elektrolytmaterial allmählich. Die entstehenden Abbauprodukte lagern sich als extrem dünne Filme auf den Elektroden ab und können diese stabilisieren.


An der Anode funktioniert dieses Prinzip bereits gut: Dort bildet sich von selbst eine sogenannte Festelektrolyt-Grenzschicht, die die Elektrode schützt und den Alterungsprozess verlangsamt. Die Kathode hingegen arbeitet in einem stark oxidierenden Umfeld. Herkömmliche Elektrolyte zerfallen dort unkontrolliert, sodass sich bislang keine vergleichbar stabile Schutzschicht etablieren ließ.

Das Team um Wang setzte deshalb nicht bei der Elektrode selbst, sondern beim Elektrolyten an. Inspiriert von Reaktionen aus der organischen Chemie veränderten die Forscher dessen Eigenschaften so, dass Elektronenübertragungen gezielter ablaufen können. Dadurch zerfällt das Elektrolyt nicht mehr zufällig, sondern kontrolliert und bildet eine gleichmäßige, belastbare Schicht auf der Kathodenoberfläche.

Eigenschaften wählbar

Ein weiterer Vorteil: Diese Schutzschicht lässt sich in ihrer Zusammensetzung variieren. Eine dickere Schicht erhöht die Stabilität und verlängert die Lebensdauer der Batterie, verlangsamt jedoch den Ionentransport. Dünnere Schichten ermöglichen höhere Leistungs- und Energiedichten, gehen aber zulasten der Haltbarkeit. Hersteller könnten die Batterien somit gezielt an unterschiedliche Anwendungen anpassen.

"Gelingt es, eine stabile Grenzschicht an der Kathode sicherzustellen, wäre das ein wichtiger Schritt hin zu langlebigeren Batterien", sagt der Energiespeicherexperte Michel Armand vom spanischen Forschungszentrum CIC energiGUNE. Da die Methode auf bekannten chemischen Verfahren basiert, dürfte sie mit bestehenden Produktionsprozessen kompatibel sein.

Noch befindet sich die neue Chemie in einer frühen Testphase, und konkrete Zahlen zur Lebensdauerverlängerung stehen aus. Gerade die Einfachheit des Ansatzes macht ihn jedoch attraktiv. Nach umfangreichen Sicherheits- und Langzeittests könnte die Technik künftig den Weg in kommerzielle Batterien finden.


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