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30 Prozent mehr Leistung bei Lithium-Ionen-Akkus möglich

| Redakteur: Katharina Juschkat

Durch neue Erkenntnisse zur Degradation von Lithium-Ionen-Akkus und zu neuen Materialien sollen Akkus mit einer Leistungssteigerung von 30 Prozent möglich werden.

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Ein Forscherteam am KIT erklärt bislang unverstandene Degradationsmechanismen im Kathodenmaterial für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien.
Ein Forscherteam am KIT erklärt bislang unverstandene Degradationsmechanismen im Kathodenmaterial für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien.
(Bild: Amadeus Bramsiepe, KIT)

Großes Problem der Elektromobilität bleibt bis heute die Reichweite der Akkus. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben jetzt wesentliche Erkenntnisse über leistungsfähigere Materialien und über die Degradation der Akkus erlangt. Mit diesen Erkenntnissen wollen sie Akkus mit deutlich höherer Kapazität um bis zu 30 Prozent entwickeln.

Spezifisches Kathodenmaterial für mehr Leistung

Die Hochenergievariante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ein spezifisches Kathodenmaterial: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, haben die Wissenschaftler auf manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss gesetzt, was die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial deutlich erhöht.

Allerdings gibt es beim Einsatz dieser Materialien bislang noch ein Problem: Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen – also der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie – degradiert das Hochenergie-Kathodenmaterial. Das Schichtoxid wandelt sich nach einiger Zeit in eine Kristallstruktur mit sehr ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften um. Als unerwünschte Folge sinkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an, was die Entwicklung von brauchbaren Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus bislang verhinderte.

Wie der Degradationsprozess in Batterien abläuft

Wie genau dieser Degradationsprozess abläuft, war noch nicht vollständig verstanden. Ein Forscherteam aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT und kooperierender Einrichtungen hat den grundlegenden Mechanismus nun in der Zeitschrift Nature Communications beschrieben: „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“, sagt Weibo Hua (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der Studie. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“

Neben diesen Ergebnissen zeigt die Studie außerdem, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess stammen müssen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nämlich anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden.

Auf dem Weg zu Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos stellen die Forschungsergebnisse des KIT einen wichtigen Schritt dar: Sie machen es möglich, nun neue Ansätze zur Minimierung der Degradation in den Schichtoxiden zu testen und in die eigentliche Entwicklungsarbeit zu diesem neuen Batterietyp einzusteigen.

Das Forscherteam am KIT (v.l.): Michael Knapp, Sylvio Indris, Weibo Hua und Björn Schwarz.
Das Forscherteam am KIT (v.l.): Michael Knapp, Sylvio Indris, Weibo Hua und Björn Schwarz.
(Bild: Amadeus Bramsiepe, KIT)

Über die Forschungsplattform Celest

Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, kurz Celest, der größten deutschen Forschungsplattform für elektrochemische Speicher. Die Forschungsplattform Celest wurde 2018 von den Partnern KIT, Universität Ulm und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gegründet und zählt im internationalen Vergleich zu den größten Aktivitäten in der Batterieforschung. Celest ist in drei Forschungsfeldern aktiv: Lithium-Ionen-Technologie, Energiespeicherung jenseits von Lithium sowie alternative Techniken zur elektrochemischen Energiespeicherung und -konversion.

Originalpublikation:

Weibo Hua, Suning Wang, Michael Knapp, et al.: Structural insights into the formation and voltage degradation of high-energy lithium- and manganese-rich layered oxides. Nature Communications, 2019. DOI 10.1038/s41467-019-13240-z

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