Forschern ist es gelungen, die Leistung und Lebensdauer von Batterien durch eine minimale Änderung zu erhöhen. Eine chemische Veränderung des Elektrolyts ermöglichte die Bildung einer schützenden Schicht auf der Kathode.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien stoßen vor allem aufgrund ihrer Kathoden an ihre Grenzen. Während sich auf der Anode beim Laden stabilisierende Schichten bilden, zersetzt sich das Material auf der Kathodenseite im Laufe der Zeit. Dieser Vorgang setzt Sauerstoff frei und löst Metalle aus der Struktur, was die Leistung eines Akkus kontinuierlich mindert.
Ein Team um Professor Chunsheng Wang veröffentlichte in der Fachzeitschrift Nature Chemistry eine Methode, um diesen Zerfall zu stoppen. Die Wissenschaftler kontrollierten die chemischen Reaktionen am Elektrolyten so präzise, dass eine schützende Schicht direkt auf der Kathode entstand. Sie hoben das Reduktionspotenzial dazu auf Werte zwischen 2,4 und 4,2 Volt an.
Die neue Schutzschicht verhindert das Auflösen von Übergangsmetallen und stabilisiert die chemischen Prozesse im Inneren der Zelle. In Laborversuchen stellten die Forscher über 200 Ladezyklen hinweg eine nahezu gleichbleibende Kapazität fest. Dadurch können leistungsfähigere und langlebigere Akkus gebaut werden.
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Kathodenschutzschicht erhöht Leistung und Lebensdauer von Batterien
Besonders die elektrische Luftfahrt und die Raumfahrt könnten profitieren. Denn in diesen Bereichen benötigen Batterien eine hohe Energiedichte bei einem geringen Gewicht. Da die Forscher nur minimale Eingriffe in die Funktionsweise der Elektrolyte vornahmen, lässt sich die Technik in aktuelle Produktionsanlagen integrieren.
Parallel zu den Verbesserungen bei Lithium-Akkus entwickelte das Labor ein Konzept für Batterien auf Basis von Natrium-Metall. In der Fachzeitschrift Nature Chemistry beschreiben die Wissenschaftler einen Elektrolyt, der ohne kritische Chemikalien auskommt. Natrium bietet dabei eine nachhaltige Alternative, da es im Vergleich zu Lithium deutlich häufiger in der Erdkruste vorkommt.
Das Metall Natrium existiert überall auf der Welt in gewöhnlichen Mineraldepots oder gelöst im Meerwasser. Diese hohe Verfügbarkeit schaltet Versorgungsrisiken und Rohstoffknappheiten aus, die die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien oft belasten. Hersteller könnten dadurch die Kosten für Speicheranlagen senken, die den Strom aus Wind- und Sonnenenergie für das Netz zwischenspeichern.
Die Forscher verzichten bei ihrer neuen Formel vollständig auf fluorierte Lösungsmittel. Diese Stoffe stellen bei der Produktion und der späteren Entsorgung eine Belastung für die Umwelt dar und bergen ökologische Risiken. Durch den Einsatz einer nachhaltigen Elektrolyt-Mischung reduzierten die Wissenschaftler diese Gefahren und erleichtern das Recycling der Batteriekomponenten.
Schutz vor internen Kurzschlüssen
Ein zentrales Problem bei der Nutzung von Natrium-Metall sind sogenannte Dendriten. Das sind schädliche, nadelartige Strukturen aus Metall, die während des Betriebs unkontrolliert durch die Zelle wachsen. Sie durchstoßen die inneren Schichten, verursachen Kurzschlüsse und können zum vorzeitigen Ausfall oder zu Fehlfunktionen der Batterie führen.
Die angepasste Molekülstruktur der Elektrolyte unterdrückt dieses Wachstum. Zudem verhindert die chemische Zusammensetzung, dass im Inneren der Zelle giftige oder brennbare Gase entstehen. Damit erreichen Natrium-Batterien eine Sicherheit und Leistungsfähigkeit, die sie für den Einsatz in modernen Elektroautos qualifizieren.
Die Wissenschaftler betonen, dass sich diese Anpassungen ohne hohen Aufwand in bestehende industrielle Fertigungsprozesse einbauen lassen. Da Natrium gleichmäßig über alle Kontinente verteilt ist, macht die Technologie die Energiewende unabhängiger von globalen Lieferketten. Das Labor plant nun weitere Versuche, um die Marktreife dieser umweltfreundlichen Speicherlösungen zu beschleunigen.
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