Günstigere Lithium-Ionen-Akkus: Mit Eisen und Polymeren

Elektromobilität, Smartphones, Tablets oder Laptops: Lithium-Ionen-Akkus versorgen mobile Systeme mit der nötigen Energie. Kein Wunder, dass Kobalt und Nickel – zwei Metallen, die für aktuelle Batterien von wesentlicher Bedeutung sind – immer teurer werden.

Um alternative Konzepte für lithiumbasierte Batterien zu finden, die ohne seltene Metalle auskommen, haben Forscher am Georgia Institute of Technology ein neues Kathoden- und Elektrolytsystem entwickelt. Sie arbeiten mit kostengünstigerem Eisenfluorid und mit festen Polymerelektrolyten.

Neues Battrie-Design mit günstigeren Metallen  

Zum Hintergrund: In einem typischen Lithium-Ionen-Akku wird Energie während des Transfers von Lithiumionen zwischen zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode – freigesetzt, wobei eine Kathode typischerweise aus Lithium und aus Übergangsmetallen wie Kobalt, Nickel und Mangan besteht. Die Ionen fließen zwischen den Elektroden durch einen flüssigen Elektrolyten. Hohe Weltmarktpreise bei Kobalt und Nickel machen Firmen schwer zu schaffen.

Preisgünstiges Eisen scheint eine gute Alternative zu sein: Forscher stellen jetzt neue Kathoden aus aktiviertem Eisenfluorid und einem Festpolymerelektrolyt-Nanokomposit vor. Eisenfluoride haben eine mehr als doppelt so hohe Lithiumkapazität wie herkömmliche Kathoden auf Kobalt- oder Nickelbasis. Darüber hinaus ist Eisen 300 Mal preisgünstiger als Kobalt und 150 Mal billiger als Nickel.

Metallelektroden stabilisieren

Die Idee, Eisen einzusetzen, ist nicht neu. Bei der technischen Umsetzung gab es aber über Jahre hinweg Schwierigkeiten. „Aus Übergangsmetallfluoriden hergestellte Elektroden haben Stabilitätsprobleme gezeigt und im Testbetrieb schnell versagt“, berichtet Gleb Yushin. Er ist Professor an der School of Materials Science and Engineering der Georgia Tech. „Wir fanden jedoch heraus, dass die Metallfluoride bei Verwendung mit einem festen Polymerelektrolyten eine bemerkenswerte Stabilität aufweisen – auch bei höheren Temperaturen -, was letztendlich zu sichereren, leichteren und billigeren Lithium-Ionen-Batterien führen könnte.“

Yushins Team entwickelte ein Verfahren, um einen festen Polymerelektrolyten mit der vorgefertigten Eisenfluoridelektrode zu kombinieren. Anschließend wurde die gesamte Struktur heißgepresst, um die Dichte zu erhöhen und etwaige Hohlräume zu minimieren.

Wünschenswerte Volumenänderung des Polymers

Zwei zentrale Merkmale des Elektrolyten auf Polymerbasis sind seine Fähigkeit, sich zu verformen und sich quellendem Eisenfluorid während der Batteriezyklen anzupassen, und seine Fähigkeit, eine sehr stabile und flexible Struktur mit Eisenfluorid zu bilden. „Die Volumenänderungen während des Zyklus sowie unerwünschte Nebenreaktionen mit flüssigen Elektrolyten haben die Verwendung von Eisenfluorid zuvor eingeschränkt“, sagt Yushin. „Die Verwendung eines festen Elektrolyten mit elastischen Eigenschaften löst viele bekannte Probleme.“

Trotzdem blieben Fragen offen. Denn experimentelle Akkus mit Eisenfluorid zeigten in Laborexperimenten eine schlechte Leistung und eine geringe Langzeitstabilität: zwei Argumente gegen kommerzielle Anwendungen. Deshalb testeten Forscher des Georgia Institute of Technology ihre Batterie unter realitätsnahen Bedingungen. Sie führten 300 Lade- und Entladezyklen bei einer erhöhten Temperatur von 50 Grad Celsius durch und analysierten ihr System im Anschluss, um mögliche Schwachstellen zu finden. Dabei stellten sie fest, dass alle Resultate frühere Konstruktionen mit Metallfluoriden bei weitem übertrafen.

Langzeitstabilität der Elektrode

Als Schlüssel zur verbesserten Batterieleistung erwies sich – wie vermutet – der Festpolymer-Elektrolyt. Das erklärt Yushin so: Bei früheren Versuchen, Metallfluoride zu verwenden, wanderten Metallionen an die Oberfläche der Kathode. Von dort gelangten sie in den Elektrolyten und waren für weitere Lade-Entlade-Zyklen unwiderruflich verloren. Höhere Temperaturen beschleunigten entsprechende Vorgänge noch, und die Kapazität von Akkus verringerte sich rasch. Außerdem katalysierten Metallfluoride eine massive Zersetzung von flüssigen Elektrolyten, falls die Zellen über 35 Grad Celsius arbeiten.

Yushin zufolge habe das im Experiment eingesetzte Polymer beide Schwachstellen beseitigt: Die Elektrode löste sich zumindest während des Tests nicht auf. Und ohne Metallfluoride fanden keine unerwünschten Reaktionen im Elektrolyten statt.

Vom Labor in die Anwendung

Im nächsten Schritt wollen die Forscher bessere Festelektrolyte entwickeln, um eine schnellere Aufladung als im Versuchsaufbau zu ermöglichen. Im Idealfall sind neue Materialien mit den in Batteriefabriken verwendeten Technologien zur Herstellung von Zellen voll kompatibel.

„Der von uns verwendete Polymerelektrolyt ist zwar weit verbreitet, aber viele andere Festelektrolyte sollten in der Lage sein, Nebenreaktionen auf ähnliche Weise zu verhindern und stabile Leistungseigenschaften zu erzielen“, so Kostiantyn Turcheniuk, ein Forscher aus Yushins Labor.

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