Entscheidender Einflussfaktor auf die Effizienz von Lithium-Metall-Batterien identifiziert
Neben hohen Anschaffungskosten und der noch unausgereiften Lade-Infrastruktur zählt die eingeschränkte Reichweite zu den größten Hindernissen beim Umstieg auf Elektroautos. Industrie und Wissenschaft arbeiten deshalb intensiv daran, Batterien mit einem höheren Energiegehalt zu entwickeln und serientauglich zu machen. Eine der vielversprechendsten Alternativen zur derzeit gängigen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) ist die Lithium-Metall-Batterie (LMB). Im Gegensatz zur LIB, in der die jetzt verwendeten Graphit-Anoden den Energiegehalt der Batterie limitieren, verspricht die LMB aufgrund der Anoden auf Lithiummetall-Basis mit hoher Kapazität eine signifikant höhere Leistung.
Doch trotz intensiver Forschung birgt die wiederaufladbare LMB nach wie vor große Sicherheitsrisiken, die zusammen mit dem geringen Lade-/Entlade-Wirkungsgrad ihre breite kommerzielle Anwendung einschränken. Innerhalb der Zelle kommt es zu unkontrollierten Lithium-Metallabscheidung. Dadurch bilden sich sogenannte Dendriten, die zur Folge haben, dass die Zelle ihre Kapazität über die Betriebsdauer verliert. Zusätzlich steigt die Gefahr von Kurzschlüssen, im schlimmsten Fall entzündet sich die Zelle. Nun hat ein Team um die MEET-Wissenschaftler Aleksei Kolesnikov und Dr. Marian Cristian Stan in einer Studie einen weiteren entscheidenden Faktor identifiziert, der die Effizienz von LMBs beeinflusst: Galvanische Korrosion.
Der Einfluss galvanischer Korrosion auf die Effizienz der Lithium-Metall-Batterie
In der Anode der untersuchten LMB wurde das Lithiummetallpulver auf eine Kupferfolie aufgetragen. Treffen diese zwei unterschiedlichen Metalle auf eine korrodierende Flüssigkeit, wird das aktivere Material – in diesem Fall das Lithium –abgebaut. Den Prozess bezeichnet man als galvanische Korrosion. Mit dem für ihre Funktionstüchtigkeit unverzichtbarem Elektrolyten ist in der Batteriezelle eine genau solche Flüssigkeit vorhanden.
„Am Beispiel von auf Lithium-Pulver basierenden Elektroden haben wir demonstriert, dass die galvanische Korrosion in der Lithium-Metall-Batterie auftritt“, erklärt MEET-Wissenschaftler Aleksei Kolesnikov. „Dazu haben wir die Elektroden eine Woche lang in einem flüssigen Elektrolyten gealtert. Dabei hat sich das Lithium zum Teil sehr schnell aufgelöst.“ Die Zelle büßt dadurch an Kapazität ein, was wiederum auch die maximale Lade-/Entlade-Zyklenzahl der LMB verringert.
Kolesnikov sieht in den Ergebnissen aber nicht das Aus der Lithium-Metall-Batterie: „Vielmehr muss der Prozess der galvanischen Korrosion in der weiteren Forschung berücksichtigt werden – auch bei der aktuellen Entwicklung von sogenannten Anoden-freien Batterien. In ihnen ist das Lithium zwar nicht in der Anode, gelangt aber während der Aufladung von der Kathode zur Anode. Dort trifft es auf den Kupfer-Stromsammler. Zusammen mit dem Elektrolyten ist galvanische Korrosion also auch in derartigen Batteriesystemen möglich.“
Gesamte Studie in Fachzeitschrift veröffentlicht
Die Ergebnisse der Untersuchungen von Aleksei Kolesnikov und den Co-Autoren Martin Kolek, Jan Frederik Dohmann, Fabian Horsthemke, Dr. Markus Börner, Dr. Peter Bieker, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Marian Cristian Stan hat die wissenschaftliche Fachzeitschrift "Advanced Energy Materials" nun als Titelgeschichte veröffentlicht. Lesen Sie die gesamte Studie hier.