Neuartiges Batterie-Design: mehr Energie und weniger Umweltbelastung

Unter den vielversprechenden Hochleistungsbatterien der nächsten Generation stehen sie ganz vorne: Lithium-Metall-Batterien. Sie können mindestens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet: Ein Elektroauto fährt mit einer Ladung doppelt so weit oder das Smartphone muss man weniger oft aufladen.

Derzeit haben Lithium-Metall-Batterien allerdings noch einen entscheidenden Nachteil: Der Elektrolytflüssigkeit müssen grosse Mengen an fluorhaltigen Lösungsmitteln und Salze zugesetzt, was auf Kosten ihres ökologischen Fussabdrucks geht. Ohne dieses Fluor wären Lithium-Metall-Batterien instabil, sie würden nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionieren und es kann zu Kurzschlüssen kommen oder sie überhitzen und entzünden sich. Maria Lukatskaya, ETH-Professorin für Elektrochemische Energiesysteme, und ihr Team haben nun eine neue Methode entwickelt, um die Fluormenge in den Lithium-Metall-Batterien drastisch zu reduzieren, sie somit umweltfreundlicher und ausserdem stabiler sowie kostengünstiger zu machen.

Wie funktioniert eine Lithium-Metall-Batterie?

Jede Batterie besteht aus einer negativ geladenen Anode und einer positiv geladenen Kathode. Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht die Anode aus Graphit. Bei Lithium-Metall-Batterien ist es Lithium-Metall. Ein flüssiger Elektrolyt trennt Anode und Kathode. Beim Laden wandern positiv geladene Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Wenn die Lithium-Ionen die Anode erreichen, verlieren sie ihre positive Ladung und bilden Lithium-Metall.

Effizienz und Sicherheit dank einer stabilen Schutzschicht

Die fluorierten Verbindungen aus dem Elektrolyt helfen bei der Bildung einer Schutzschicht um das Lithium-Metall am Minuspol der Batterie. "Wir können diese Schutzschicht mit Zahnschmelz vergleichen. Sie schützt das Lithium-Metall vor der ständigen Reaktion mit den Elektrolytbestandteilen", erklärt Lukatskaya. Ohne diese Schutzschicht würde sich der Elektrolyt während des Ladevorgangs schnell entleeren, die Zelle würde versagen, und das Fehlen einer stabilen Schutzschicht würde dazu führen, dass sich während des Ladevorgangs Lithium-Metall-Spitzen – 'Dendriten' – anstelle einer gleichmässigen flachen Schicht bilden.

Erreichen diese Dendriten den Pluspol, kommt es zu einem Kurzschluss und die Batterie könnte sich so stark erhitzen, dass sie sich entzündet. Die Kontrolle der Eigenschaften der Schutzschicht ist daher entscheidend für die Leistung einer Batterie. Eine stabile Schutzschicht erhöht die Effizienz, die Sicherheit und die Lebensdauer einer Batterie.

Dendriten bilden sich, wenn der Elektrolyt bei einer Metall-Lithium-Batterie nicht angepasst wird. (Grafik: Nobelprize.org)

Den Fluoranteil minimieren

"Wir haben überlegt, wie wir die Menge an zugesetztem Fluor reduzieren können, ohne dass die Schutzschicht an Stabilität verliert", sagt Doktorand Nathan Hong. Ihre neu entwickelte Methode nutzt die elektrostatische Anziehung, um die gewünschte Reaktion zu erreichen. Die ETH-Forschenden haben ein Konzept entwickelt, bei dem elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle als Vehikel dienen, um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen. Auf diese Weise benötigen sie bezogen auf die Elektrolytflüssigkeit nur 0,1 Gewichtsprozent Fluor, was mindestens 20-mal weniger ist als in früheren Studien.

Die neu entwickelte Methode nutzt fluoridierte Kationen als Vehikel, um das Fluor gezielt an die Schutzschicht zu transportieren. Das Resultat: Die Schutzschicht bleibt stabil, es wird nur so viel Fluor verwendet, wie nötig ist, und die Produktionskosten verringern sich, während die Batterie umweltfreundlicher wird. (Grafik: ETH Zürich / Chulgi Nathan Hong)

Optimierte Methode für umweltfreundlichere Batterien

In einer kürzlich erschienenen Publikation in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science beschreiben die ETH-Forschenden ihre neu entwickelte Methode und deren Grundprinzipien, für die sie auch ein Patent angemeldet haben. Lukatskaya führte diese Forschung im Rahmen eines SNF-Starting-Grant-Projekts durch.

Eine der grössten Herausforderungen war es, das richtige Molekül zu finden, an das Fluor angehängt werden kann und das sich unter den richtigen Bedingungen auch wieder zersetzt, wenn es das Lithium-Metall erreicht hat. Ein grosser Vorteil an der Methode sei, dass sie sich nahtlos in den bestehenden Produktionsprozess integrieren lässt, ohne Zusatzkosten für eine Anpassung der Produktionseinrichtung zu generieren. Im Labor hatten die Batterien die Grösse einer Münze. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Skalierbarkeit der Methode testen und zu Pouch-Zellen übergehen, wie sie in Smartphones verwendet werden.

Literaturhinweis

Hong CN, Yan M, Borodin O, Pollard TP, Wu L, Reiter M, Gomez Vazquez D, Trapp K, Yoo JM, Shpigel N, Feldblyum JI, Lukatskaya MR: Robust battery interphases from dilute fluorinated cations. Energy & Environmental Science, 2. Mai 2024, doi: 10.1039/d4ee00296b. 

Dieser Beitrag ist zuerst auf "eth.ch" erschienen.