E-Autos könnten ein Teil der Lösung für die Klimawende sein. Doch noch haben sie eine zu geringe Reichweite und finden unter anderem deswegen wenig Freunde. Helfen könnten Hochenergiebatterien, also Lithium-Ionen-Akkus mit einer größeren Ladekapazität. Entsprechend forschen Wissenschaftler – unter anderem auch am Karlsruher Institut für Technologie KIT ‒ an leistungsfähigeren Akkus. Doch der Weg dahin ist noch lang, wie es scheint. Denn das Problem ist im Moment noch die Degradation während der Synthese des Kathodenmaterials. Die Forschenden des KIT untersuchten diese Veränderungen der Struktur und stellten Folgendes fest:

Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft“, so Weibo Hua (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der gerade veröffentlichten Studie zu dem Thema, „außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“

Zudem zeigt die Studie, dass eigentlich noch woanders geforscht werden müsste. Die Forschenden sind aufgrund Ihrer Ergebnisse überzeugt, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess kommen müssen. Denn auch Weibo, sowie die anderen beteiligten Wissenschaftler, hatten Ihre Informationen aufgrund von Untersuchungen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden, gewonnen.

(f.l.t.r.): Michael Knapp, Sylvio Indris, Weibo Hua, Björn Schwarz © Amadeus Bramsiepe, KIT

Speicherkapazität bis zu 30 % erhöhen

Aber immerhin: Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse sind ein wesentlicher Schritt zur weiteren Forschung an Akkus mit höherer Kapazität. Denn aufgrund dieser Erkenntnisse wird es möglich, neue Ansätze zur Minimierung der Degradation in den Schichtoxiden zu testen. Was wiederum den Einstieg in die eigentliche Entwicklungsarbeit bezüglich neuer Hochenergiebatterien möglich macht:

Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, sagt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS). „Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektrochemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu 30 Prozent erhöhen.“

Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), der größten deutschen Forschungsplattform für elektrochemische Speicher, deren stellvertretender Sprecher Ehrenberg ist.

Bisherige Akkus arbeiten anders

Hintergrund: Die Hochenergievariante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ihr spezielles Kathodenmaterial. Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, kommen nun manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss zum Einsatz. Somit wird die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial deutlich erhöht. Doch leider gibt es beim Einsatz dieser Materialien eben noch genau das oben beschriebene Problem: Bei der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie, nämlich der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen, degradiert das Hochenergie-Kathodenmaterial. So wandelt sich das Schichtoxid nach einiger Zeit in eine Kristallstruktur mit sehr ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften um. Dies wiederum senkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an. Genau das hatte die Entwicklung von brauchbaren Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus bisher verhindert. Dank der neuen Erkenntnisse der Wissenschaftler kann nun weiter geforscht und entwickelt werden.

 

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