Neuartiges Batterie-Design: mehr Energie und weniger Umweltbelastung

Unter den vielversprechenden Hochleistungsbatterien der n?chsten Generation stehen sie ganz vorne: Lithium-Metall-Batterien. Sie k?nnen mindestens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet: Ein Elektroauto f?hrt 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 Elektrolytfl¨¹ssigkeit m¨¹ssen grosse Mengen an fluorhaltigen L?sungsmitteln und Salze zugesetzt, was auf Kosten ihres ?kologischen Fussabdrucks geht. Ohne dieses Fluor w?ren Lithium-Metall-Batterien instabil, sie w¨¹rden nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionieren und es kann zu Kurzschl¨¹ssen kommen oder sie ¨¹berhitzen und entz¨¹nden sich. Maria Lukatskaya, ETH-Professorin f¨¹r 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 kosteng¨¹nstiger zu machen.

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 k?nnen diese Schutzschicht mit Zahnschmelz vergleichen. Sie sch¨¹tzt das Lithium-Metall vor der st?ndigen Reaktion mit den Elektrolytbestandteilen?, erkl?rt Lukatskaya. Ohne diese Schutzschicht w¨¹rde sich der Elektrolyt w?hrend des Ladevorgangs schnell entleeren, die Zelle w¨¹rde versagen, und das Fehlen einer stabilen Schutzschicht w¨¹rde dazu f¨¹hren, dass sich w?hrend des Ladevorgangs Lithium-Metall-Spitzen ¨C ?Dendriten? ¨C anstelle einer gleichm?ssigen flachen Schicht bilden.

Erreichen diese Dendriten den Pluspol, kommt es zu einem Kurzschluss und die Batterie k?nnte sich so stark erhitzen, dass sie sich entz¨¹ndet. Die Kontrolle der Eigenschaften der Schutzschicht ist daher entscheidend f¨¹r die Leistung einer Batterie. Eine stabile Schutzschicht erh?ht die Effizienz, die Sicherheit und die Lebensdauer einer Batterie.

Den Fluoranteil minimieren

?Wir haben ¨¹berlegt, wie wir die Menge an zugesetztem Fluor reduzieren k?nnen, ohne dass die Schutzschicht an Stabilit?t verliert?, sagt Doktorand Nathan Hong. Ihre neu entwickelte Methode nutzt die elektrostatische Anziehung, um die gew¨¹nschte Reaktion zu erreichen. Die ETH-Forschenden haben ein Konzept entwickelt, bei dem elektrisch geladene fluorhaltige Molek¨¹le als Vehikel dienen, um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen. Auf diese Weise ben?tigen sie bezogen auf die Elektrolytfl¨¹ssigkeit nur 0,1 Gewichtsprozent Fluor, was mindestens 20-mal weniger ist als in fr¨¹heren Studien.

Optimierte Methode f¨¹r umweltfreundlichere Batterien

In einer k¨¹rzlich erschienenen externe SeitePublikationcall_made in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science beschreiben die ETH-Forschenden ihre neu entwickelte Methode und deren Grundprinzipien, f¨¹r die sie auch ein Patent angemeldet haben. Lukatskaya f¨¹hrte diese Forschung im Rahmen eines SNF-Starting-Grant-Projekts durch.

Eine der gr?ssten Herausforderungen war es, das richtige Molek¨¹l zu finden, an das Fluor angeh?ngt 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 l?sst, ohne Zusatzkosten f¨¹r eine Anpassung der Produktionseinrichtung zu generieren. Im Labor hatten die Batterien die Gr?sse einer M¨¹nze. Im n?chsten Schritt wollen die Forschenden die Skalierbarkeit der Methode testen und zu Pouch-Zellen ¨¹bergehen, wie sie in Smartphones verwendet werden.