Batterieforschung

Lithium für den Superakku

Von Manfred Lindinger
16.03.2020
, 19:18
Der Lithium-Metall-Akku erlebt eine Wiedergeburt. Denn er ist leichter, günstiger und deutlich leistungsfähiger als die klassische Lithium-Ionen-Batterie. Auch das Sorgenkind, die Lithium-Anode, bekommt man immer besser in den Griff.

Politiker und Verkehrsexperten scheinen sich einig: Die Zukunft gehört der Elektromobilität. Doch damit Elektroautos mit Benzin- und Dieselfahrzeugen auch auf längeren Strecken konkurrieren können, bedarf es Akkus, die leistungsfähiger sind als die klassischen Lithium-Ionen-Batterien. Denn bislang ist spätestens nach 350 Kilometern der Akku leer. Pech, wenn keine Ladestation in der Nähe ist. Doch die Leistungsfähigkeit der Marktführer ist weitgehend ausgereizt, so dass höhere Reichweiten kaum zu erwarten sind. Daher tüftelt man allerorts bereits an einer neuen Generation wiederaufladbarer Stromquellen.

In diesem Zusammenhang ist ein Batterietyp wieder in den Fokus des Interesses gerückt, mit dem schon einer der Väter des Lithium-Ionen-Akkus, der Chemie-Nobelpreisträger von 2019 Stanley Whittingham, vor vierzig Jahren experimentierte, aber auch seine Probleme hatte: der Lithium-Metall-Akku. Weil die negative Elektrode (Anode) aus reinem Lithium besteht, ist er nicht nur leichter als ein klassischer Lithium-Ionen-Akku mit einer Graphit-Anode, er besitzt auch eine bis zu 65 Prozent höhere Energiedichte. Elektroautos könnten mit einer solchen Batterie somit deutlich weiter fahren.

Allerdings ist Lithium ein äußerst reaktives Element und als Elektrodenmaterial nur schwer zu handhaben. Die Lithium-Anode zersetzt sich bei jedem Entladen, was die Kapazität und die Energiedichte der Batterie schnell verringert. Zudem wächst das Lithium beim Ladevorgang unkontrolliert und nadelförmig an der Elektrodenoberfläche. Diese Dendrite können brechen, was zum Verlust von aktivem Material führt. Werden die Nadeln zu lang, können sie bis zur gegenüberliegenden Kathode gelangen. Ein Kurzschluss ist die Folge, was im schlimmsten Fall zum Brand oder zur Explosion des Akkus führen kann – eine Gefahr, mit der schon Whittingham zu kämpfen hatte. Deshalb gibt es Lithium-Metall bislang vor allem als Knopfzelle und nicht als wiederaufladbaren Akku.

Eine Lithium-Elektrode schützt sich selbst

„Um das Wachstum der Dendriten zu verhindern, werden verschiedene Wege eingeschlagen“, sagt Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Der Forscher arbeitet mit seinen Kollegen seit langem an stabilen Lithium-Metall-Anoden. Sie bilden die negative Elektrode eines Lithium-Schwefel-Akkus, ein weiterer Hoffnungsträger unter den wiederaufladbaren Stromspeichern der neuen Generation. Denn sie versprechen höhere Energiedichten. Zudem nutzen sie preiswerten Schwefel als Kathodenmaterial anstelle wertvoller Metalle.

Um der Dendritenbildung und einer Degeneration der Anode entgegenzuwirken, experimentieren die Dresdner Batterie-Forscher wie viele andere Gruppen auch mit polymeren Schutzschichten auf der Anodenoberfläche und speziellen flüssigen Elekrolyten. Beides soll dafür sorgen, dass sich die Alkalimetall-Ionen gleichmäßig auf der Elektrode ablagern und auf der Oberfläche keine Kristallisationskeime für Dendriten entstehen. Andere Forschergruppen setzten auf leitfähige Kunststoffe oder Keramiken anstelle von flüssigen Elektrolyten. Zwar lässt sich auch hier eine Dendritenbildung nicht ganz verhindern, der Feststoffelektrolyt kann aber bei einem Kurzschluss nicht brennen.

Einen ungewöhnlichen Ansatz präsentieren chinesische Wissenschaftler in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift „Science Advances“. Ihr Rezept sind mikrometergroße würfelförmige Kapseln auf der positiven Elektrode, die während des Ladevorgangs geringe Mengen an Lithium-Fluorid an den Elektrolyten abgeben. Dadurch bildet sich von selbst ein für Lithium-Ionen durchlässiger Schutzfilm zwischen Elektrode und flüssigen Elektrolyten. Die winzigen Würfel trügen, so die Forscher um Huadong Yuan von der Technischen Universität Zhejiang in Hangzhou, zudem dazu bei, dass sich das Lithium gleichmäßig auf der Anode ablagert und keine Kristalle entstünden.

Tatsächlich zeigen elektronenmikroskopische Analysen, dass diese Maßnahmen das Dendritenwachstum effizient unterdrücken und sich auf der Anodenoberfläche beim Laden eine glatte Lithium-Schicht ausbildet. Die modifizierte Lithium-Metall-Elektrode hat sich als äußerst stabil erwiesen. Eine daraus gefertigte Batterie mit einer Kobaltoxid-Kathode und einem organischen Elektrolyten, wie sie für Lithium-Ionen-Akkus typisch sind, ließ sich fünfhundertmal wieder aufladen, ohne dass offenbar größere Einbußen in der Leistung zu verzeichnen waren. Die meisten Modelle mit einem organischen Elektrolyten schwächeln bereits nach einigen Dutzend Zyklen.

Lithium-Schwefel-Akku auf dem Vormarsch

Für Holger Althues ist die chinesische Arbeit ein durchaus interessanter Ansatz, der viele Probleme lösen könnte. Neu sei hier, dass die Anode die Schutzschicht gewissermaßen selbst erzeugt. Die Untersuchungen seien aber unter Bedingungen gemacht worden, die nicht einer Hochenergiezelle auf Lithium-Ionen-Basis entsprächen. Und es sei deshalb, wie oft bei Laborarbeiten, nicht klar, ob der Prototyp auch praktische Anforderungen erfüllen werde. Auch die Mikrokapseln könnten einen Verlust an aktivem Lithium nicht verhindern.

Auf bis zu hundert Lade-Entlade-Zyklen bringt es indes der Lithium-Schwefel-Akku aus Dresden mit metallischem Lithium als Anode. Ihre Prototypen, die unter realistischen Bedingungen getestet werden, weisen Energiedichten von bis zu 400 Wattstunden pro Kilogramm auf. Das ist bereits fast doppelt so hoch wie bei einer normalen Lithium-Ionen-Batterie. Jetzt geht es vor allem darum, die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der Lithium-Schwefel-Akkus weiter zu erhöhen. Für Anwendungen in der Elektromobilität sind 2000 bis 3000 Lade- und Entlade-Zyklen Voraussetzung.

Auch ein weiteres Problem haben die Dresdner Forscher gelöst: die großflächige Herstellung dünner Lithium-Schichten auf einer Kupferfolie. Statt wie oft üblich eine Lithium-Folie aufzuwalzen, bringen die Forscher das Alkalimetall in geschmolzener Form auf. Damit erreichen sie homogene Lithium-Anoden mit Schichtdicken von wenigen Mikrometern. Vierzig Jahre nach den ersten Versuchen des Batteriepioniers Stanley Whittingham könnte metallisches Lithium die Akku-Tecknik bald neu beleben.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot