Blockierende Metallstücke: Lithium-Metall-Batterien haben eine bis zu zehnmal höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus. Doch bisher sind sie nicht wiederaufladbar. Den Grund dafür haben nun Forscher mit einer neuen Methode präzisiert – mit einem überraschenden Ergebnis. Denn nicht das an der Anode anwachsende Lithium ist das Problem, sondern die Lithium-Stücke, die dort abbrechen und dann im Elektrolyt eine Blockade bilden, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.
Ob im Notebook, Handy oder im Elektroautos – ihren Strom bekommen sie heute meist von Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings können diese im Laufe der Zeit ihre Ladekapazität verlieren und bei Hitze sogar explodieren. Für stromintensive Anwendungen wie die Elektromobilität wären zudem Akkus mit einer höheren Energiedichte besser – dann könnten die Batterien kleiner und leichter werden. Forscher suchen deshalb nach Alternativen, unter anderem mit Natrium oder Silizium statt der Lithium-Ionen.
Leistungsstark, aber nicht wiederaufladbar
Doch es gäbe noch eine Alternative: Lithium-Metall-Batterien. Bei diesen besteht die Anode nicht aus Graphit, sondern aus metallischem Lithium. Dies macht diese Batterien zu erheblich besseren Stromspeichern mit einer sechs bis zehnmal höheren Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus. Lithium-Metall-Batterien werden bisher als Knopfzellen in Uhren, Herzschrittmachern und anderen Medizingeräten eingesetzt. In größerer Form könnten die Reichweite von Elektroautos drastisch erhöhen.
Doch es gibt einen Haken: Bisher sind Lithium-Metall-Batterien nicht wiederaufladbar. Ihre Kapazität sinkt schon nach einem Ladezyklus so stark ab, dass sie danach quasi nutzlos werden. Als Ursache für diesen Effekt galt bisher die Bildung von verästelten Lithiumablagerungen an der Anode, kombiniert mit einer Anreicherung von Lithiumverbindungen im Elektrolyt. Beides zusammen blockiert die Passage aktiven Lithiums durch die Batterie. Im Extremfall kann es durch die Ablagerungen zudem zu Explosionen kommen.
Blick ins Innere
Was jedoch genau beim Entladen in den Lithium-Metall-Batterien abläuft, ließ sich bisher nur schwer im Detail beobachten. Chengcheng Fang von der University of California San Diego und seine Kollegen haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich genauer ermitteln lässt, welche Lithiumform sich wo und in welchen Mengen ablagert. Dafür nutzten sie unter anderem die Tatsache, dass metallisches Lithium unter Wasserstoff-Freisetzung mit Wasser reagiert – das Gas verrät damit die Menge des reaktiven Lithiums.
Das überraschende Ergebnis: Entgegen den Erwartungen veränderte sich die Menge der Lithiumverbindungen im Elektrolyt während des Entladens nicht. Sie blieb etwa gleich, selbst wenn die Kapazität der Testbatterien absank. Anders war dies mit dem metallischen Lithium: „Zu unserer Überraschung fanden wir aber einen linearen Zusammenhang zwischen der Menge inaktiven metallischen Lithiums und der Ladekapazität“, berichten Fang und seine Kollegen.
Blockade aus Lithium-Fragmenten
Nähere Analysen enthüllten: Das Problem ist offenbar nicht das an der Anode abgelagerte Lithium als solches, sondern die von diesen Ablagerungen abbrechenden Fragmente. Diese Metallstückchen reichern sich im Elektrolyt an. Weil sie von der Anode getrennt sind, können sie nicht mehr am elektrochemischen Kreislauf teilnehmen. Dadurch bilden diese Fragmente inaktive Blockaden, wie die Forscher berichten.
„Dies ist eine wichtige Entdeckung, denn es zeigt, dass die Hauptursache für das Versagen der Lithium-Metall-Batterien dieses nichtreaktive metallische Lithium ist – und nicht die Lithiumverbindungen im Elektrolyt“, sagt Fang.
Auf den Elektrolyten kommt es an
Das Entscheidende daran: Die Kenntnis dieses Prozesses macht es möglich, Lösungen für das Problem zu entwickeln. Einen ersten Schritt in diese Richtung haben Fang und sein Team bereits unternommen. In Tests stellten sie fest, dass das Fragmentieren des Lithiums eng mit der Art des Elektrolyts verknüpft ist. So erzeugen die meisten gängigen Elektrolyte verästelte, fragile Auswüchse an der Anode, die leicht abbrechen, wie die Versuche ergaben.
Ein von den Forschern speziell optimierter Elektrolyt dagegen ließ eher kompakte, stabile Säulen aus metallischem Lithium an der Anode wachsen. Diese Säulen brechen weniger leicht ab und als Folge bleib auch die Ladekapazität länger erhalten. Im Test erreichten diese Batterien eine Coulomb-Effizienz von 96 Prozent im ersten Ladezyklus, wie Fang und sein Team berichten. Dies entspricht einer relativ hohen Kapazität.
„Die Kontrolle der Mikro- und Nanostruktur ist offensichtlich der Schlüssel“, sagt Fangs Kollegin Shirley Meng. „Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse weitere Forschung in dieser Richtung anregen, damit Lithium-Metall-Batterien auf die nächste Ebene gebracht werden können.“ Denn das Ziel sei es, eine langlebige und wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterie zu produzieren. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1481-z)
Quelle: University of California – San Diego
