Hochleistungs-Akkus gewinnen in Zeiten der Elektromobilität stark an Bedeutung. Auch als Speicher für erneuerbare Energien stehen sie hoch im Kurs. Im Moment enttäuschen viele Lithium-Ionen-Akkus aufgrund langer Ladezyklen oder aufgrund einer zu kurzen Lebensdauer. Nicht zuletzt werden sie bei Unfällen im Straßenverkehr schnell zur Gefahr.
Eine mögliche Lösung präsentieren Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Ihnen ist es gelungen, reines Lithiummetall als Anode einzusetzen, indem sie das grundlegende Design der Zellen verändert haben. Jetzt hoffen sie auf langlebigere Batterien mit höherer Kapazität und besserer Stabilität.
Mechanische Belastung minimiert die Lebensdauer
Zum Hintergrund: Eines der größten Probleme besteht bei Lithium-Ionen-Akkus darin, dass sich beim Aufladen Atome im Inneren des Lithiummetalls ansammeln. Elektroden dehnen sich dabei aus. Beim Entladen durch Stromentnahme schrumpft das Metall dann wieder. Diese Änderungen führen zu wiederkehrenden mechanischen Belastungen im Material. Elektroden können sich lockern oder brechen.
Hinzu kommt, dass keiner der bisher untersuchten festen Elektrolyte chemisch stabil ist, wenn er mit dem hochreaktiven Lithiummetall in Berührung kommt. Mit der Zeit zersetzen sich die Verbindungen. Und die Lebensdauer sinkt weiter.
Doch guter Rat ist teuer. Bisher konzentrierten sich die Experimente zur Lösung dieser Herausforderungen vor allem auf die Suche nach besseren Festelektrolyten, die stabil gegenüber Lithiummetall sind, was sich in der Praxis als schwierig erwies.
Neues Elektrodendesign statt neuer Materialien
Deshalb wählten die MIT-Ingenieure einen anderen Weg – mit Erfolg. Sie setzten bei ihren Experimenten Mischleiter (Mixed Ion-Electron Conductors, MIEC) ein. Darunter versteht man Festelektrolyte mit elektronischer Leitfähigkeit, etwa Strontiumtitanat oder Titan(IV)-oxid. Hinzu kamen Elektronen- und Li-Ionen-Isolatoren (Electron and Li-ion insulators, ELI), die im Kontakt mit Lithiummetall absolut chemisch inert sind, also nicht reagieren.
Auf dieser chemischen Basis entwickelten Ingenieure dann eine dreidimensionale, wabenförmige Nanoarchitektur für ihre elektrochemischen Zellen. Hexagonale MIEC-Röhren haben Kontakt zu metallischem Lithium, ohne dass der Hohlraum komplett ausgefüllt wurde.
Wenn sich das Lithium während des Ladevorgangs ausdehnt, fließt es in den leeren Raum im Inneren der Röhren und bewegt sich wie eine Flüssigkeit, obwohl es seine feste, kristalline Struktur beibehält. Das sich ausdehnende und zusammenziehende Lithium in diesen Röhren bewegt sich nach innen und außen, ähnlich wie die Kolben eines Automotors in ihren Zylindern. Dieser Mechanismus verringert den Druck während des Ladens, ohne die Geometrie der Elektrode oder die Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt zu verändern. Das andere Material, ELI genannt, dient als mechanisches Bindemittel zwischen den MIEC-Wänden und der festen Elektrolytschicht.
Stabile und sichere elektrochemische Zelle
Da die Wände aus inertem MIEC bestehen, verliert das Lithium nie den elektrischen Kontakt mit dem Material. So kann die gesamte Festkörperbatterie mechanisch und chemisch stabil bleiben, während sie ihre Nutzungszyklen durchläuft. Das Team hat sein Konzept experimentell bestätigt, indem es den Akku im Testgerät 100 Lade- und Entladezyklen durchlaufen ließ, ohne dass es zu einem Bruch der Feststoffe kam.
Das Design ist Teil ihres Konzepts zur Entwicklung sicherer Festkörperbatterien, bei dem Forscher auf das flüssige oder polymere Gel, das normalerweise als Elektrolytmaterial zwischen beiden Elektroden der Batterie verwendet wird, verzichten. Ein fester Elektrolyt ermöglicht es den Lithium-Ionen, während der Lade- und Entladezyklen der Batterie hin- und herzuwandern. Hinzu kommt: Die vollständig feste Bauweise könnte sicherer sein als flüssige Elektrolyte, die eine hohe Flüchtigkeit aufweisen und die Quelle von Explosionen in Lithiumbatterien waren. Dieser Aspekt ist am MIT noch nicht untersucht worden.
Hochskalierung geplant
Die Forscher haben bisher nur kleine Geräte im Labormaßstab gebaut und getestet. Sie gehen aber davon aus, dass diese schnell skaliert werden können. Die benötigten Materialien, hauptsächlich Mangan, sind erheblich billiger als das von anderen Herstellern für Zellen verwendete Nickel oder Kobalt, sodass diese Kathoden nur ein Fünftel der herkömmlichen Versionen kosten würden.
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