Energiedichte-Rekord dank neuer Lithium-Speichermaterialien

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Lithium-Ionen-Batterien überraschen immer wieder. Ein neues Kathodenmaterial, basierend auf einem neuen Speicherprinzip und schon lassen sich deutlich höhere Energiespeicherdichten erreichen.

Ohne einen geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator bewegt sich kaum mehr etwas. Dieser wiederaufladbare Energiespeicher ist nämlich derzeit die am weitesten verbreitete Batterietechnologie - obschon Leistung und Speicherdichte nicht jeden Ingenieur überzeugen. Nun erproben Wissenschaftler neue Methoden, um höhere Speicherdichten für Lithium zu erreichen, um damit mehr Energie in einer Batterie speichern zu können. Auch wollen sie die Lithiumspeicherung optimieren, um auch Geräte mit hohen Leistungsanforderungen versorgen zu können. Dazu ist es allerdings erforderlich, bestehende Komponenten einer LI-Batterie neu zu entwickeln.

Denn die bisher verwendeten Materialien wie sie Kai Vuorilehto in seinem „Handbuch Lithium Ionen Batterien“ ab Seite 21 beschreibt basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume (so genannte Zwischengitterplätze) - einer Wirtsstruktur, welche in der Regel aus Metalloxiden besteht. Zwar funktioniert diese Methode gut, doch die damit erzielbaren Speicherdichten sind begrenzt. Das Lithium kann nicht besonders dicht in der Struktur gepackt werden. 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.

Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g

Das Verdichten könnte nun Wissenschaftlern um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Ruiyong Chen gelungen sein. Das interdisziplinäre Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des vom KIT gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) stellte soeben ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vor. Das Lithium-Speichermaterial erlaubt die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li pro Formeleinheit. Mit einem Material der Zusammensetzung Li2VO2F wurden Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g, bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen. Durch die vergleichsweise hohe Dichte des Materials ergibt das eine Energiedichte von bis zu 4600 Wh/L, bezogen auf das Aktivmaterial.

Der Trick: 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. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt überraschenderweise stabil bleibt – ein Novum bei solchen Speichermaterialien. Die Struktur besitzt 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% 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.