Bis zu 99,9999% Effizienz: Neue Li-Metall-Batterietechnologie könnte E-Autos, Smartphones und mehr antreiben

Ein Forschungsteam der Shandong University hat ein neues Elektrodenmaterial entwickelt. Dieses durchläuft keine physikalischen Volumenänderungen, die dazu führen, dass Lithium-Metall-Batterien (Li-Metall-Batterien) schnell an Kapazität verlieren. Das im Fachmagazin Nature Nanotechnology vorgestellte neue Material könnte zu kommerziell nutzbaren Li-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte führen. Das würde E-Fahrzeuge mit größerer Reichweite und Geräte mit leistungsfähigeren Batterien in kompakteren Gehäusen ermöglichen.

Li-Metall-Batterien gelten seit Langem als der „heilige Gral” der Batterietechnologie, da sie pro Volumen mehr Energie speichern können als Lithium-Ionen-Batterien. Ihre Entwicklung wurde jedoch durch mehrere Probleme behindert, darunter das der „Volumenänderung“. Dieses Phänomen beschreibt die Ausdehnung und das Zusammenziehen der Elektroden (insbesondere der Anoden) während des Ladens und Entladens. Dies kann zu Rissen und Zelldegredation führen.

Dieses Problem wird durch das neue Design gelöst, bei dem ein Verbundmaterial aus reduziertem Graphenoxid und Zinkoxid als Wirtsmaterial für das Lithium verwendet wird. Diese Struktur verfügt über starre Hohlräume, die das Lithium einlagern. Dadurch wird verhindert, dass sich die gesamte Elektrode in ihrer Größe verändert. Gleichzeitig dient die Struktur als „korrosionsbeständige Rüstung“, die das reaktive Lithium vor dem ätzenden Elektrolyten schützt.

Die Ergebnisse waren vielversprechend. In Labortests ermöglichte die neue Elektrode eine Ladeeffizienz von 99,99 bis 99,9999 Prozent über fast 2.000 Zyklen, was die Stabilitätsschwelle für eine praxistaugliche Batterie bei Weitem übertrifft. Bei einem Mittelwert von 99,99495 % würde die Batterie nach 1.000 Zyklen noch über 95 % ihrer Kapazität behalten. Bei dieser Berechnung wurden andere Faktoren nicht berücksichtigt. 

Vor etwa zwei Wochen berichteten wir über einen ähnlichen Durchbruch, den ein Forschungsteam von KAIST und LG Energy Solution erzielte. In der im Fachmagazin Nature Energy veröffentlichten Forschung konzentrierten sich die Wissenschaftler auf einen neuen flüssigen Elektrolyten, der das Dendritenproblem bei Lithium-Metall-Batterien löst.

Dadurch ist eine Batterie möglich, die nach einer 12-minütigen Ladung eine Reichweite von etwa 800 km erzielen könnte. Die Forscher, die hinter der neuen Elektrode mit „Null-Volumenänderung“ stehen, arbeiten nun daran, ihr Design für die kommerzielle Nutzung zu optimieren. Sie streben an, durch Industriepartnerschaften innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre kommerziell erhältliche Batterien auf den Markt zu bringen.