Lithium-Ionen-Batterien werden immer leistungsfähiger. Doch dieser Trend ist nicht endlos, und langsam stößt der Fortschritt an Grenzen – gerade bei der Anwendung in E-Autos. Lithium-Metall-Batterien dagegen können im Vergleich doppelt so viel Energie liefern. Größtes Problem: Sie bilden Dendriten, die wie Tropfsteine an der Anode wachsen. Stoßen sie dabei durch die Mebran, die die Elektroden voneinander trennt, kommt es zum Kurzschluss. Seit vielen Jahren suchen Experten weltweit nach einer Lösung für dieses Problem.
Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Boston und Detroit gelungen, die Bildung von Dendriten zu unterbinden und somit die Lebensdauer einer Lithium-Metall-Batterie mindestens zu verdoppeln. Über ihre Methode berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“. Obendrein haben sie ihre Erkenntnisse zum Patent angemeldet.
Die Lösung sei eine weniger als einen Nanometer dünne Membran aus Kohlenstoff, sagt Professor Andrey Turchanin von der Universität Jena. „Diese winzigen Öffnungen sind kleiner als die kritische Keimgröße und verhindern so das Wachsen der Dendriten.“ Anstatt Strukturen zu bilden, lagere sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab. Die Gefahr, dass die Membran beschädigt wird, sei gebannt.
„Um unsere Methode zu überprüfen, haben wir Testbatterien, die mit unserer Hybrid-Separator-Membran ausgestattet waren, immer wieder aufgeladen„, sagt Dr. Antony George von der Universität Jena. „Selbst nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen konnten wir kein dendritisches Wachstum feststellen.“ Sein Kollege Dr. Leela Mohana Reddy Arava von der Wayne State University in Detroit ergänzt: „Die Stabilität der Grenzfläche garantiert eine Verbesserung der Leistung und die Sicherheit dieses elektrochemischen Systems.“
Der Separator bekomme im Vergleich zu anderen Komponenten der Batterie am wenigsten Aufmerksamkeit, sagt Sathish Rajendran von der Wayne University. Das Ausmaß, in dem sich die hauchdünne Membran auf die Lebensdauer der Batterie auswirke, sei „faszinierend„. In einem nächsten Schritt soll die Idee auch auf andere Batterie-Typen angewendet werden.
Quelle: Universität Jena – Pressemitteilung vom 17. Juni 2021
Mit Lithium-Metall-Batterien wären nicht nur doppelte kWh-Zahlen pro kg und Volumeneinheit, sondern auch deutliche sinkende Batteriepreise möglich, so dass es günstige und leichte E-Autos mit vergleichbaren Reichweiten wie bei Verbrennern gäbe und der Verbrenner-Lobby die letzten Argumente ausgingen.
Das größte Problem von dieser Nanoschicht wird qualitativ hochwertige industrielle Produktion sein. Hat Membran ein Loch von sagen wir Mal 100nm, nutzt das ganze nichts. Im Loch wächst Dendrit und macht Kurzschluss. Ich vermute diese Lösung ist nicht industriell skalierbar.