Durch eine neue dreidimensionale Bauweise ist es Forschern gelungen, eine leichte und leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterie herzustellen. Das System weist eine hohe Stabilität und Energiedichte auf.
Lithium-Ionen-Batterien dürften auch in den kommenden Jahren weiterhin eine große Rolle spielen. Die Energiespeicher finden sich inzwischen in vielen Geräten, Elektroautos oder Energiespeichersystemen. Doch die Technologie hat auch ihre Grenzen. Darunter fallen etwa das Gewicht und die Haltbarkeit. Daher arbeiten Forscher weltweit an Batterien, die diese Schwächen eliminieren sollen.
Koreanische Wissenschaftler entwickelten kürzlich eine neue, dreidimensionale Polymer-Struktur. Diese könnte langfristig den Transport von Lithium-Ionen in Batterien erheblich verbessern. Die Struktur, entwickelt von Forschern der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) und des Korea Institute of Energy Research (KIER), weist dabei zusätzlich eine hohe Stabilität und Energiedichte auf. Das macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für kommerzielle Anwendungen.
Leichte und leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterie durch Lithium-Metallanoden
Für ihre Struktur nutzten die Wissenschaftler Lithium-Metallanoden. Diese besitzen eine Energiekapazität von 3.860 Milliamperestunden pro Gramm, was mehr als das Zehnfache der aktuell verwendeten Graphitanoden ist. Diese Anoden können mehr Energie auf kleinerem Raum speichern und direkt an elektrochemischen Reaktionen teilnehmen. Dennoch gibt es ein häufig auftretendes Problem.
Durch die ungleichmäßige Verteilung der Lithium-Ionen während des Lade- und Entladevorgangs bilden sich mit der Zeit sogenannte „tote Lithium-Bereiche“. Diese verringern die Kapazität und Leistung der Batterie drastisch. Zudem kann das unkontrollierte Wachstum von Lithium in eine Richtung zu Kurzschlüssen führen.
Mit ihrer neuen dreidimensionalen Struktur behoben die Forscher diese Probleme. Denn durch den Einsatz von Polyvinylalkohol mit einer hohen Affinität zu Lithium-Ionen und dem geringeren Gewicht wird eine gleichmäßige Lithium-Elektrodenposition ermöglicht. Das verbessert die Stabilität und Leistung.
Batterie übersteht problemlos 200 Lade- und Entladezyklen
In Experimenten zeigten Lithium-Metallanodenbatterien mit dieser neuen Struktur auch nach über 200 Lade-Entlade-Zyklen noch eine hohe Stabilität. Sie erreichten dabei eine Energiedichte von 344 Wattstunden pro Kilogramm. Diese Ergebnisse wurden in sogenannten Pouch-Zellen erzielt, die repräsentativ für industrielle Anwendungen sind.
Das wiederum offenbart das Potenzial der Technologie für ein künftige Kommerzialisierung. Die Wissenschaftler unterstreichen die Bedeutung der Forschung für die Maximierung der Energiedichte von Lithium-Metall-Batterien. Durch die Kombination einer Leichtbauweise und der hohen Energiedichte betrachten sie die neue Batterietechnologie als regelrechten Durchbruch.
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