Eine verbesserte Zellchemie kann bei Hochenergie-Akkus die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen. Forscher am KIT entwickeln diese gerade in einer internationalen Kooperation.
Ein Forscherteam am KIT erklärt bisher wenig bekannte Degradationsmechanismen im Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien.
Amadeus Bramsiepe / KIT
Elektroautos benötigen eine besondere Form von Traktionsbatterien. "Hochenergiezellen haben eine hohe Kapazität und können somit viel Energie beziehungsweise Kapazität aufnehmen, was direkten Einfluss auf die Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen hat. Dafür sind sie nicht dynamisch, was die Leistungsaufnahme und -abgabe angeht", beschreiben deren Eigenschaften die Springer-Autoren Thomas Mückenhoff, Florian Fritzsche und Uwe Jörg Blume in ihrem Zeitschriftenbeitrag Energiemanagement und Hybridspeicherkonzept für Elektrofahrzeuge auf Seite 16.
Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird derzeit an solchen Zellen geforscht. Zu Hilfe kommt dabei den Forschern ein grundsätzlich verbessertes Verständnis der elektrochemischen Vorgänge in der Batterie. Dies kann helfen, Batterien mit einer um 30 Prozent höheren Leistungsfähigkeit zu entwickeln und damit eines der derzeit stark diskutierten Probleme der Elektromobilität zu lösen: die mangelnde Reichweite.
Am KIT läuft diese Forschung innerhalb des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), der größten deutschen Forschungsplattform für elektrochemische Speicher.
Kathodenmaterial wurde geändert
Der Unterschied zu bisherigen Hochenergie-Akkus liegt den Forschungsergebnissen nach in einem anderen Kathodenmaterial. Bisher eingesetzt werden vor allem Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt. Die neue Kathode hat manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss. Das wiederum erhöht die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen und Masse im Verhältnis zum Kathodenmaterial deutlich.
Bei der Verwendung der konventionellen Variante war noch ein Problem zu lösen. Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen degradiert das Kathodenmaterial und wandelt sich in eine Kristallstruktur mit sehr ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften um. Dadurch sinkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an – die sogenannte Degradation. Das hat die Entwicklung von brauchbaren Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus bislang verhindert.
Kochsalzstruktur bestimmt Degradation
Die KIT-Forscher haben nun den Ablauf dieses Prozesses entschlüsselt. "Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft", sagt Weibo Hua vom Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme am KIT (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der Studie. Außerdem spiele Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.
Zudem zeigt die Studie, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess stammen müssen. Ihre Entdeckung hatten die beteiligten Wissenschaftler nämlich anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden.
Doch auch andere Komponenten innerhalb einer Hochenergiebatterie könnten für mehr Leistungsfähigkeit sorgen. "Die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie setzt vor allem auf sogenannte Hochenergiematerialien. Darunter fallen neuartige Anoden auf Siliziumbasis- und nickelreiche Kathodenmaterialien sowie Elektrolytadditive, welche die erhöhten Anforderungen erfüllen", benennt dies ein Springer-Vieweg-Autorenteam um Daniel Beverungen im Buchkapitel Forschungsausblick zur Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien ab Seite 342.