Mobiltelefone, Notebooks, digitale Kameras, Akkuschrauber oder Rasenmäher, ohne Lithium-Ionen-Batterien wären viele Dinge des alltäglichen Lebens kaum vorstellbar. Peu à peu hat diese Art Energiespeicher den guten alten Nickel-Cadmium-Akku sowie den Nickel-Metallhydrid-Akku immer mehr verdrängt. Der Grund ist, dass Lithium-Ionen-Batterien viel größere Mengen an Energie bei hohen Spannungen speichern können. Dabei sind die Spannungen sogar so hoch, dass die Batterien eigentlich gar nicht stabil sein dürften.
Herkömmliche Batterien haben in der Regel Spannungen von ein bis zwei Volt, ein Lithium-Ionen-Akku anderseits vier Volt. Das hat zu Beginn der Entwicklung in den 1990er Jahren jedoch zu verschiedenen Problemen geführt. Die damaligen Batterieelektrolyten, die nötig sind, um Ionen zu transportieren, haben sich bei einer derart hohen Zellspannung zersetzt.
“Falsche” und “richtige Carbonate”
Im Laufe der Zeit gelang es Wissenschaftlern jedoch, mit einer speziellen Mischung aus verschiedenen Carbonaten – zum Beispiel Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat – Elektrolyte herzustellen, die viel länger stabil blieben. Batterien, bei denen das Ethylencarbonat durch das chemisch sehr ähnliche Propylencarbonat ersetzt wurde, waren aber schon nach wenigen Lade- und Entladevorgängen verbraucht. Wieso sie nach so geringfügigen Änderungen so schnell versagten, war damals war völlig unklar.
Jahre später fanden Forscher heraus, dass “falsche” Carbonate bei hohen Zellspannungen nicht stabil sind, sondern sich solange weiter zersetzen, bis die Batterie versagt. Nimmt man aber die “richtigen” Carbonate, entsteht aus den Zersetzungsprodukten eine stabile, nur wenige Nanometer dünne Schicht, durch die der Elektrolyt vor weiterer Zersetzung geschützt wird.
Diese Schicht muss jedoch noch mehr können. Sie muss auch Lithium-Ionen transportieren können, da der Ladungsträgertransport andernfalls in der Zelle zusammenbrechen würde. Die Batterie würde versagen und keine Energie mehr liefern. Ein Forscherteam der TU Ilmenau um Prof. Andreas Bund, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Galvanotechnik, will nun in einem dreijährigen Projekt gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Marburg erforschen, wie diese Schicht aus Zersetzungsprodukten – die sogenannte Passivierungsschicht – die sich während des Batteriebetriebs bildet, beschaffen sein muss, “damit sie sowohl zuverlässig passiviert, also den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt, als auch gleichzeitig Ionen leiten kann”.
“Bin optimistisch, dass wir das schaffen”
Am Ende wollen die Wissenschaftler drei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Dass Lithium-Ionen-Batterien schneller und effizienter geladen werden können, dass die Herstellung kostengünstiger wird und, dass die Akkus eine längere Lebensdauer haben. Um all das zu erreichen, beobachten die Forscher mit Hilfe verschiedener In-situ-Methoden – teilweise im Nanometerbereich – die Entstehung dieser Schicht. Wie entstehen Pfade für die Ionenleitung und wie kann die Schichtbildung verbessert werden?
Prof. Andreas Bund erklärt den bedeutenden Einfluss dieser extrem dünnen Grenzschicht auf die Batterie. “Eine Optimierung der Ionenleitfähigkeit, der Bildungsgeschwindigkeit und des Passivierungsverhalten würde dazu führen, dass künftige Lithium-Ionen-Batterien nicht nur schneller und effizienter geladen werden können, sondern auch länger halten und kostengünstiger sind. Ich bin optimistisch, dass wir das schaffen.“
Das auf drei Jahre angesetzte Forschungsprojekt “Untersuchung der Transporteigenschaften sowie der Bildungs- und Wachstumsmechanismen der Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf Kohlenstoff-Modellelektroden” wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit 324.000 Euro gefördert.
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