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Akku-Forschung Lithium-Metall-Batterie hält 10.000 Ladezyklen und mehr als 5 Millionen Kilometer

Hohe Ladedichte und Langzeitstabilität - damit punktet eine Lithium-Metall-Batterie (Symbolbild).
Hohe Ladedichte und Langzeitstabilität - damit punktet eine Lithium-Metall-Batterie (Symbolbild).
© Getty Images
Eine Batterie aus Lithium-Metall gilt als "Heiliger Gral" der Akkutechnik. Bislang scheiterten alle Versuche, die Selbstzerstörung solcher Batterien zu verhindern. US-Forschern gelang es nun mit einem Sandwich-Konzept.

US-Forscher behaupten, ihr neuartiges Batteriekonzept werde praktisch alle Akku-Probleme lösen. Sie schätzen, dass ihre Batterie mindestens 10.000 Mal geladen werden kann. Bei einem E-Auto mit 500 Kilometer Reichweite wären das sagenhafte 5 Millionen Kilometer. Ein Wert, den das restliche Auto nie erreichen wird. Dazu soll die Batterie eine höhere Energiedichte besitzen als die heutigen Lithium-Ionen-Akkus. Die hohe Lebensdauer geht also mit einem geringeren Gewicht einher.

Mächtig, doch instabil

Die von Harvard-Experten entwickelte Batterie besteht aus Lithium-Metall und nicht aus Lithium-Ionen. An derartigen Batterien wird seit 40 Jahren gearbeitet, bislang ohne Erfolg. "Die Lithium-Metall-Batterie gilt wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte als der Heilige Gral der Batteriechemie", sagte Xin Li, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). "Aber die Stabilität dieser Batterien war immer schlecht." Sie zersetzten sich selbst.

Das neue Design überwindet das Problem der Dendriten - winzige, starre, baumartige Strukturen, die im Inneren einer Lithiumbatterie wachsen.  Eine Lithium-Metall-Batterie verwendet Lithium in seiner reinen metallischen Form, im Gegensatz zu Lithiumverbindungen, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Der Begriff "Festkörperbatterie" bezieht sich auf die Verwendung fester Elektroden und eines festen Elektrolyten anstelle der flüssigen oder Polymer-Gel-Elektrolyten, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Wenn die Anode aus reinem Lithiummetall besteht, bilden sich auf der Oberfläche schnell nadelartige Strukturen, die Dendriten genannt werden.  Diese Strukturen bohren ein Wurzelwerk in den Elektrolyten und zerstören die Batterie. Dieses Problem lösten Li und sein Team durch eine Sandwichbatterie, in der verschiedene Materialien in dünnen Schichten zwischen Anode und Kathode angeordnet werden. 

Einbau einer Stoppschicht

Der erste Elektrolyt widersteht dem Lithium stabiler, lässt jedoch das Eindringen von Dendriten zu. Der zweite Elektrolyt ist anfälliger gegenüber dem Lithium, jedoch immun gegen Dendriten. Er verhindert, dass die Dendriten die Batterie durchdringen und kurzschließen.

"Unsere Strategie, Instabilität zu integrieren, um so die Batterie zu stabilisieren, fühlt sich zunächst befremdlich an. Aber genau wie ein Dübel eine Schraube führen und steuern kann, kann auch unsere mehrschichtige Konstruktionsanleitung das Wachstum von Dendriten führen und steuern", sagte Luhan Ye, Co-Autor der Arbeit und Doktorand an der SEAS. "Der Unterschied besteht darin, dass unser Dübel schnell sehr fest wird, und der Dendrit ihn nicht durchbohren kann, sodass sein Wachstum gestoppt wird". Von der Serienproduktion ist die Batterie aber noch weit entfernt. "Unser Proof-of-Concept-Design zeigt, dass Lithium-Metall-Festkörperbatterien mit kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähig sein könnten", so Li.

Quelle: Science Daily


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