TU Ilmenau startet DFG-Projekt zur Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien

Wird dieser Artikel gerade auf einem Laptop oder einem Smartphone gelesen, stellt dafür wahrscheinlich eine Lithium-Ionen-Batterie die nötige elektrische Energie zur Verfügung. Lithium-Ionen-Batterien sind so erfolgreich, weil sie große Mengen an Energie bei hohen Spannungen speichern können – bei derart hohen Spannungen, dass diese Batterien eigentlich gar nicht stabil sein dürften. Warum Lithium-Ionen-Batterien dennoch funktionieren und wie dieses Wissen Batterien verbessern kann, damit beschäftigt sich das neue Forschungsprojekt „Untersu-chung der Transporteigenschaften sowie der Bildungs- und Wachstumsmecha-nismen der Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf Kohlenstoff-Modellelektroden“ der TU Ilmenau.

Seit Beginn der 1990er Jahre sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt. Während andere Batterien üblicherweise Spannungen von ein bis zwei Volt aufweisen, liegt die Spannung von Lithium-Ionen-Batterien bei vier Volt – was besonders in den Anfangszeiten der Lithium-Ionen-Batterien zu Problemen geführt hat: Viele Materialien, insbesondere die seinerzeit zur Verfügung stehen-den Batterieelektrolyten, die in Batterien benötigt werden, um Ionen zu transpor-tieren, zersetzen sich bei solch hohen Zellspannungen.

Mit einer speziellen Mischung aus verschiedenen Carbonaten gelang es Wissen-schaftlern in den Folgejahren, Elektrolyte herzustellen, die ungleich länger stabil blieben. So wies zum Beispiel eine Mischung aus Ethylencarbonat und Dimethyl-carbonat sehr positive Eigenschaften auf. Ersetzte man jedoch das Ethylencarbo-nat mit dem chemisch sehr ähnlichen Propylencarbonat, erhielt man sehr schlechte Batterien, die schon nach wenigen Lade- und Entladevorgängen ver-sagten. Damals war völlig unklar, weshalb eine solch kleine Änderung bei der Verwendung eines Materials einen so großen Einfluss auf die Batterie hatte.

Erst Jahre später fanden Forscher die Antwort. Verwendet man die „falschen“ Carbonate, sind diese bei hohen Zellspannungen nicht stabil, sondern zersetzen sich kontinuierlich weiter, bis die Batterie versagt. Bei der richtigen Wahl an Car-bonaten hingegen bilden die Zersetzungsprodukte eine stabile, nur wenige Na-nometer dünne Schicht, die den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt.

Doch die Schicht muss auch in der Lage sein, Lithium-Ionen zu transportieren, andernfalls würde der Ladungsträgertransport in der Zelle zusammenbrechen und die Batterie keine Energie mehr liefern. Wie diese sogenannte Passivierungs-schicht beschaffen sein muss, damit sie sowohl zuverlässig passiviert, also den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt, als auch gleichzeitig Ionen leiten kann, das erforschen die TU Ilmenau und die Universität Marburg drei Jahre lang in dem neuen Forschungsprojekt. Dazu beobachten die Forscher mit verschiede-nen In-situ-Methoden, teilweise im Nanometerbereich, also in kleinstem Maß-stab, wie sich die Schicht bildet, wie Pfade für die Ionenleitung entstehen und wie die Schichtbildung verbessert werden kann. Prof. Andreas Bund, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Galvano-technik, weiß, dass der Einfluss dieser Grenzschicht auf die Batterie, obwohl sie nur extrem dünn ist, enorm ist: „Eine Op-timierung der Ionenleitfähigkeit, der Bil-dungsgeschwindigkeit und des Passivie-rungsverhalten würde dazu führen, dass künftige Lithium-Ionen-Batterien nicht nur schneller und effizienter geladen werden können, sondern auch länger halten und kostengünstiger sind. # Ich bin optimistisch, dass wir das schaffen.“