KIT-Forscher und Partner identifizieren vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batteriezellen

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Die Elektrodenmaterialien sind eine zentrale Stellschraube, um Energie- und Leistungsdichte sowie Sicherheit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu steigern. Die Anoden dieser Batterien bestehen aus einem Stromableiter und einem darauf aufgebrachten Aktivmaterial, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Als Aktivmaterial dient heute ganz überwiegend Graphit. Negative Elektroden aus Graphit haben allerdings eine niedrige Laderate. Zudem weisen sie Sicherheitsprobleme auf. Eine Alternative dazu ist Lithium-Titanat-Oxid (LTO), das bereits kommerziell genutzt wird. Negative Elektroden mit LTO bieten eine höhere Laderate und gelten als sicherer als solche mit Graphit. Batterien mit LTO-Anoden haben allerdings einen Nachteil: ihre tendenziell niedrigere Energiedichte.

Ein Team um Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme des Karlsruher Institut für Technologie (KIT), hat nun ein weiteres vielversprechendes Anodenmaterial erforscht: Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO). Wie eine gemeinsam mit Wissenschaftlern der Jilin-Universität in Changchun, China, und weiterer Forschungseinrichtungen in China und Singapur durchgeführte Studie ergeben hat, weisen LLTO-Anoden im Vergleich zu kommerzialisierten LTO-Anoden ein niedrigeres Elektrodenpotenzial auf, wodurch sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen lassen.

„Zellspannung und Speicherkapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie“, erklärt Ehrenberg. „Künftig könnten LLTO-Anoden  besonders sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen.“ Die Studie trägt zur Arbeit der Forschungsplattform für elektrochemische Speicher CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe) bei, einer der größten Batterieforschungsplattformen weltweit.

Neben Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer entscheidet auch die Laderate über die Eignung einer Batterie für anspruchsvolle Anwendungen. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronentransport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolytmaterialien ab. Um die Laderate zu verbessern, ist es üblich, die Partikelgröße des Elektrodenmaterials von der Mikrometer- auf die Nanometerskala zu reduzieren.

Wie die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie der Forscher des KIT und ihrer Kooperationspartner zeigt, ermöglichen bei perowskitstrukturiertem LLTO aber selbst Partikel von einigen Mikrometern eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Laderate als LTO-Nanopartikel. Dies führt das Forscherteam auf sogenannte pseudokapazitive Eigenschaften von LLTO zurück: An diesem Anodenmaterial lagern sich nicht nur einzelne Elektronen an, sondern ladungstragende Ionen, die über schwache Kräfte gebunden sind und reversibel Ladungen an die Anode übertragen können. „Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kostengünstigere Verfahren der Elektrodenherstellung“, erläutert Ehrenberg.