Neue Lithium-Batterie mit 700 Wh/kg Energiedichte funktioniert bei −50°C

Chinesische Forscher haben einen neuartigen Fluorkohlenwasserstoff-Elektrolyten entwickelt, der die derzeitigen Leistungsgrenzen von Batterien neu definieren könnte. Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie stellt ein Lösungsmittel vor, das bei Raumtemperatur eine Energiedichte von über 700 Wh/kg und bei minus 50 Grad Celsius immer noch etwa 400 Wh/kg ermöglicht. Dies übertrifft herkömmliche Batterien für Elektroautos, die unter normalen Bedingungen Spitzenwerte von rund 270 Wh/kg erreichen. Derartige Akkus könnten auch für die Luft- und Raumfahrt relevant sein, das gleiche gilt für Netzspeicher in extremen Klimazonen.

In der Vergangenheit basierten Batterieelektrolyte auf Sauerstoff- und Stickstoff-basierten Liganden, die die Ladungen zwischen Kathode und Anode transportieren. Diese traditionellen Materialien erzeugen jedoch eine starke Bindung, die den Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt behindert und die Leistung bei tiefen Temperaturen oder während des Schnellladens massiv einschränkt. Um dies zu vermeiden, haben die Forscher sechs einfach fluorierte Fluorkohlenwasserstoff-Lösungsmittel entwickelt. Durch die gezielte Entwicklung der fluoridbasierten Liganden mit angepasster sterischer Hinderung und Lewis-Basizität verbessert sich die Löslichkeit von Lithiumsalzen auf über 2 mol/L.

Das Lösungsmittel 1,3-Difluorpropan weist außergewöhnliche Eigenschaften auf, darunter eine niedrige Viskosität von 0,95 Centipoise und eine hohe Oxidationsstabilität von über 4,9 Volt. Durch den Einbau von Fluoratomen in die erste Solvathülle ermöglicht die resultierende schwache Koordination eine hocheffiziente Lithium-Abscheidung und -Ablösung. Dieser Mechanismus erzielt eine coulombische Effizienz von 99,7 Prozent und eine Austauschstromdichte, die bei minus 50 Grad Celsius deutlich über der von herkömmlichen sauerstoffbasierten Versionen liegt.

Die ersten Tests in Lithium-Metall-Pouch-Zellen mit Elektrolytmengen von weniger als 0,5 Gramm pro Amperestunde waren erfolgreich. Den Forschern zufolge verschiebt diese Fluor-Koordinationschemie die bisherigen Grenzen des elektrochemischen Designs. Durch weitere Anpassungen der Kohlenstoff- und Fluor-Verhältnisse könnten noch stabilere Varianten mit hohen Siedepunkten von über 100 Grad Celsius entwickelt werden. Damit könnte letztendlich die Leistungs- und Energiedichte künftiger Energiespeicher weiter gesteigert werden.