Forscher ergründen den Einfluss der Kathode auf die Lithium-Metallanode
Die Nachfrage nach Hochenergie-Batterien, insbesondere für die Automobilbranche, steigt und damit auch das Forschungsinteresse an den Batterie-Technologien, die den Markt der Zukunft bestimmen könnten. Eine vielversprechende Technologie stellen die sekundären Lithiummetallbatterien (LMB) dar, die Lithium-Metall als Anode mit beispielsweise Lithium-Ionen-haltigen Kathodenmaterialien kombinieren. Die sekundäre Lithium-Metallanode ist jedoch immer noch mit Sicherheitsproblemen verbunden, die mit der unkontrollierten Lithium-Metallabscheidung (Dendriten) zusammenhängen. Als Folge schlägt sich dies in einem zu schnellen Kapazitätsabfall der Zelle nieder und im schlimmsten Fall in einem Kurzschluss und einem daraus resultierenden thermischen Durchgehen.
Lithiummetallbatterien zeigen hohes Potential
Davon lässt sich die Forschung jedoch nicht abschrecken, denn das Potential von LMBs ist hoch: Optimierte LMBs können tendenziell höhere spezifische Energien und Energiedichten erreichen als Lithium-Ionen-Batterien. Wenn dabei energiereiche Kathodenmaterialien verwendet werden, könnten diese sogar vielversprechende Batteriesysteme wie Lithium║Schwefel oder Lithium║Sauerstoff hinsichtlich ihrer praktischen Energiedichten übertreffen. Forschungen zur Verbesserung des elektrochemischen Verhaltens der Lithium-Metallanode gibt es zwar, bisher zeigten diese aber nur ein eingeschränktes Bild, da der Einfluss der Übergangsmetallkathode auf die Lithium-Metallanode ignoriert oder als nichtig erklärt wird.
Einfluss von Kathode auf Anode wird bewiesen
Forscher des MEET Batterieforschungszentrums sahen hier wesentlichen Nachholbedarf: „Eine Batteriezelle besteht aus vielen Komponenten, die sich gegenseitig beeinflussen. Wenn wir die Anode optimieren, ohne die Wechselwirkung mit der Kathode zu betrachten, wird es schwer das tatsächliche Potential von sekundären Lithiummetallbatterien zu erschließen“, so Johannes Betz, MEET-Doktorand. Zusammen mit weiteren Forschern vom MEET machten Betz und sein Kollege Jan-Paul Brinkmann es sich zur Aufgabe den Einfluss der Kathode auf die Lithium-Metallanode zu demonstrieren. Die Neugierde der Wissenschaftler wurde belohnt, denn durch den Einsatz eines aufwändig abgestimmten Methoden-Mixes erkannten sie, dass die Kathode tatsächlich einen starken Einfluss auf die Lithium-Metallanode haben kann. „Mit diesem Ergebnis haben wir eine Lanze für die ganzheitliche Betrachtung der sekundären Lithiummetallbatterien gebrochen,“ so Betz.
Die Studie von Johannes Betz, Jan-Paul Brinkmann, Roman Nölle, Constantin Lürenbaum, Martin Kolek, Dr. Marian C. Stan, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Tobias Placke wurde in der Zeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht.
DOI: 10.1002/aenm.201900574