Lithium-Metall-Pulver mit Kohlenstoffzusatz verdoppelt Elektrodenkapazität von Batteriezellen
Lithium-Metall-Batterien gelten als Hoffnungsträger für die Energiespeicher der Zukunft, denn sie haben das Potenzial, leistungsfähiger, leichter und günstiger als die klassische Lithium-Ionen-Batterie zu sein. Ein Großteil der Forschung konzentriert sich auf Lithium-Metall-Elektroden aus Metallfolien. MEET Forschende haben nun nachgewiesen, dass auf Lithium-Metall-Pulver (Lip) basierende Verbundelektroden, die mit einem leitfähigen Kohlenstoffzusatz (Super C65) hergestellt wurden, mindestens die doppelte praktische Elektrodenkapazität im Vergleich zu reinen Lip-Elektroden aufweisen. Zudem identifizierten die Wissenschaftler vier verschiedene Arten von Ladungsspeichermechanismen in diesen Verbundelektroden und liefern damit wichtige Grundlagen für die weitere Entwicklung dieses Batterietyps.
Elektronisch leitender Kohlenstoffzusatz in Lip-basierten Elektroden zeigt mehrere Auswirkungen
Lithium-Metall ist aufgrund seiner hohe Energiedichte ein vielversprechendes Anodenmaterial. Die Verwendung von Anoden auf der Basis von Lithium-Metall-Pulver anstelle von Lithiumfolien ermöglicht eine genaue Kontrolle über die Lithiummenge in einer Batteriezelle. Doch die niedrige praktische Elektrodenkapazität der herkömmlichen Lithiumpulver-Elektroden stellt eine Herausforderung dar. In ihrer Studie untersuchten die Forschenden rund um MEET Wissenschaftler Aleksei Kolesnikov die Rolle des leitfähigen Kohlenstoffzusatzes in den Lithiumpulver-basierten Elektroden und zeigten mehrere Auswirkungen auf:
- ein verbesserter elektronischer Kontakt zwischen den Lithiumpulverpartikeln und dem Kupferstromkollektor aufgrund der hohen elektronischen Leitfähigkeit des Kohlenstoffs;
- eine erhöhte Bildung von Interphase auf der Oberfläche des leitfähigen Kohlenstoffs und Korrosion der Lithiumpulverpartikeln;
- reversibles Einbringen von Lithiumionen in den leitfähigen Kohlenstoff und
- Lithium-Elektroabscheidung auf dem leitfähigen Kohlenstoff.
Aleksei Kolesnikov erklärt: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Lip-Verbund-Elektroden bei gleicher Materialbeladung mindestens die doppelte praktische Elektrodenkapazität im Vergleich zu herkömmlichen Lip-Elektroden liefern können, und das bei niedrigeren Überspannungen. Batteriezellen, die mit einer Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NMC) 622-Kathode und einer Komposit-Elektrode auf Lip-Basis bestückt sind, wurden mindestens 100 Zyklen lang zyklisiert und zeigten eine bessere Zyklusleistung als die Batteriezellen, die mit herkömmlichen Lip-Elektroden bestückt sind.“
Die Anwendung des Lip-Pulvers sei nicht nur auf Batterien beschränkt, ordnet Kolesnikov die Forschungsergebnisse ein. Es könne perspektivisch auch als wiederverwertbarer Energieträger in Metall-Luft-Brennern oder in Geräten für die kontrollierte thermische Kernfusion verwendet werden.
Vollständige Fachpublikation in Energy Technology
Die detaillierten Ergebnisse der Studie wurden als Open Access-Artikel im Fachmagazin „Energy Technology“ veröffentlicht. Autor*innen sind die MEET Forschenden Aleksei Kolesnikov, Tristan Wulfers, Martin Kolek, Dr. Peter Bieker, Dr. Marian Cristian Stan sowie Prof. Dr. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich und MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster.