Neues Material für Batterie-Anoden

Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt. Zugleich wächst der Bedarf an intelligenten Stromnetzen für eine nachhaltige Energieversorgung. Diese und weitere mobile und stationäre Technologien erfordern geeignete Batterien. Möglichst viel Energie auf möglichst kleinem Raum bei möglichst geringem Gewicht zu speichern – diese Anforderung erfüllen Lithium-Ionen-Batterien nach wie vor am besten. Die Forschung zielt darauf, Energie­dichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer dieser Batterien zu steigern. Dabei kommt es wesentlich auf die Elektroden­materialien an. Anoden in LIB bestehen aus einem Strom­ableiter und einem darauf aufge­brachten Aktiv­material, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Als Aktivmaterial dient ganz überwiegend Graphit. Negative Elektroden aus Graphit haben allerdings eine niedrige Laderate. Zudem weisen sie Sicherheits­probleme auf. Unter den alternativen Aktiv­materialien wurde Lithium-Titanat-Oxid (LTO) bereits kommerzia­lisiert. Negative Elektroden mit LTO bieten eine höhere Laderate und gelten als sicherer als solche mit Graphit. Allerdings haben LIB mit LTO-Anoden tendenziell eine niedrigere Energie­dichte.

Das Team um Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeicher­systeme des KIT, hat nun ein weiteres vielver­sprechendes Anodenmaterial erforscht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristall­struktur (LLTO). Wie die gemeinsam mit Wissen­schaftlern der Jilin-Universität und weiterer Forschungs­einrichtungen in China und Singapur durchgeführte Studie ergeben hat, weisen LLTO-Anoden im Vergleich zu kommerzia­lisierten LTO-Anoden ein niedrigeres Elektroden­potenzial auf, wodurch sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen lassen. „Zellspannung und Speicher­kapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie“, erklärt Ehrenberg. „Künftig könnten LLTO-Anoden besonders sichere und langlebige Hochleistungs­zellen ermöglichen.“

Neben Energiedichte, Leistungs­dichte, Sicherheit und Lebens­dauer entscheidet auch die Laderate über die Eignung einer Batterie für anspruchs­volle Anwendungen. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronen­transport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolyt­materialien ab. Um die Laderate zu verbessern, ist es üblich, die Partikelgröße des Elektroden­materials von der Mikrometer- auf die Nanometer­skala zu reduzieren. Bei LLTO ermöglichen aber selbst Partikel von einigen Mikrometern eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Laderate als LTO-Nano­partikel. Dies führt das Forscherteam auf pseudo­kapazitive Eigenschaften von LLTO zurück: An diesem Anoden­material lagern sich nicht nur einzelne Elektronen an, sondern ladungs­tragende Ionen, die über schwache Kräfte gebunden sind und reversibel Ladungen an die Anode übertragen können. „Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kosten­günstigere Verfahren der Elektroden­herstellung“, sagt Ehrenberg. (Quelle: KIT)

Referenz: L. Zhang et al.: Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries, Nat. Commun. 11, 3490 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-17233-1

Link: Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS), Karlsruher Institut für Technologie

Bild: Neue Materialien für Batterie-Anoden sollen sichere und langlebige Hochleistungs­zellen ermög­lichen. (Quelle: IAM-ESS, KIT)

 

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