Neues Speichermaterial mit (links) und ohne Lithium (rechts)
HIU
Ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des vom KIT gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) hat ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Das soll für eine höhere Energiespeicherdichte sorgen.
Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume (sogenannte Zwischengitterplätze) - einer Wirtsstruktur, welche in der Regel aus Metalloxiden besteht. Diese Methode funktioniert gut, allerdings sind die damit erzielbaren Speicherdichten begrenzt, da das Lithium nicht besonders dicht in der Struktur gepackt werden kann. Auch ist die Einlagerung von mehr als einem Lithium-Ion pro Formeleinheit in der Regel nicht möglich, da die Struktur dann nicht mehr stabil ist und zerfällt. Wünschenswert wäre es deshalb, Lithium deutlich dichter in eine stabile Struktur zu packen und die bisherigen Obergrenzen zu überwinden.
Eine Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Ruiyong Chen hat nun am KIT ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt, welches die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li pro Formeleinheit erlauben soll. Mit einem Material der Zusammensetzung Li2VO2F seien Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g, bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen worden. Durch die vergleichsweise hohe Dichte des Materials ergäbe das eine Energiedichte von bis zu 4600 Wh/L, bezogen auf das Aktivmaterial, so die Forscher.
Lithium-Speicherung direkt auf den Gitterplätzen
Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien wird in dem neuen System das Lithium nicht mehr auf Zwischengitterplätzen, sondern direkt auf den Gitterplätzen einer kubisch dichtesten Packungsstruktur gespeichert, wodurch die deutlich höheren Packungsdichten erreicht werden.
Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen sehr mobil in dieser Struktur und sie können leicht in das Gitter ein- und wieder ausgebaut werden, erklären die Forscher. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt überraschenderweise stabil bleibt - ein Novum bei solchen Speichermaterialien, sagen die Wissenschaftler. Die Struktur besitze eine hohe Defektmobilität, sodass sich das Gitter selbst stabilisieren kann.
"Die hohe Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität, verbunden mit einer sehr kleinen Volumenänderung von nur 3 Prozent ist das eigentlich Ungewöhnliche an diesem neuen System. Das Speicherprinzip scheint zudem auf andere Zusammensetzungen übertragbar zu sein. Mit anderen Verbindungen ähnlicher Struktur messen wir derzeit sogar noch höhere Energiedichten als mit dem auf Vanadium basierenden System", berichtet Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner.
In der Zeitschrift Advanced Energy Materials stellt die Forschungsgruppe das neue Materialsystem vor: R. Chen, S. Ren, M. Knapp, D. Wang, R. Witter, M. Fichtner, and H. Hahn: Disordered Lithium-Rich Oxyfluoride as a Stable Host for Enhanced Li+ Intercalation Storage. Advanced Energy Materials. Artikel erstmals online publiziert: 3 Feb. 2015. DOI: 10.1002/aenm.201401814