Koreanische Wissenschaftler verdoppeln die Energiedichte von Elektroauto-Batterien

Südkoreanische Forscher haben einen bedeutenden Fortschritt vorgestellt, der die Reichweite von Elektrofahrzeugen deutlich erhöhen und Bedenken hinsichtlich der Batterieleistung bei Kälte ausräumen könnte. Ihre Studie beschreibt eine anodenfreie Lithium-Metall-Batterie, die die Energiedichte nahezu verdoppelt, ohne die Größe des Akkupacks zu erhöhen. Dieser Durchbruch ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen POSTECH, KAIST und der Gyeongsang-Universität. Die Forscher sind überzeugt, dass dieser Ansatz zukünftige Batteriedesigns für Elektrofahrzeuge beeinflussen könnte.

Das Team um Professorin Soojin Park und Dr. Dong-Yeob Han erreichte eine volumetrische Energiedichte von 1.270 Wh/L, fast doppelt so hoch wie die rund 650 Wh/L, die heutige Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen erzielen. Der entscheidende Vorteil liegt im Wegfall der Graphitanode. Beim Ladevorgang werden Lithium-Ionen von der Kathode direkt auf den Kupferkollektor abgeschieden. Dadurch wird innerer Raum frei, sodass mehr aktives Material im gleichen Volumen untergebracht werden kann.

Anodenlose Batterien stellen jedoch eine technische Herausforderung dar. Eine ungleichmäßige Lithiumbeladung kann zur Dendritenbildung führen, welche die inneren Schichten durchdringen und Kurzschlüsse verursachen kann. Darüber hinaus schädigen wiederholte Lade- und Entladezyklen die Lithiumoberfläche und verkürzen die Lebensdauer der Zelle.

Um diese Probleme zu lösen, nutzten die Forscher eine Kombination aus reversiblem Wirtsmaterial (RH) und maßgeschneidertem Elektrolyten (DEL). RH ist ein Polymergerüst mit Silbernanopartikeln, das eine gleichmäßige Lithiumbeladung ermöglicht. DEL bildet eine stabile Schutzschicht aus Li₂O und Li₃N, die die Dendritenbildung verhindert und gleichzeitig einen schnellen Ionentransport ermöglicht.

Die Kombination aus RH und DEL gewährleistete einen stabilen Betrieb auch unter anspruchsvollen Bedingungen. Bei einer Dichte von 4,6 mAh/cm² und einem Stromverbrauch von 2,3 mA/cm² behielt die Zelle nach 100 Zyklen 81,9 µW/(%) ihrer Anfangskapazität und erreichte einen Wirkungsgrad von 99,6 µW/(%). Diese Eigenschaften ermöglichten eine Rekordenergiedichte von 1270 Wh/L.

Die Technologie wurde auch in Pouchzellen getestet, ähnlich denen, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, und hat sich selbst mit sehr wenig Elektrolyt als stabil erwiesen, was auf leichtere Batterien, eine einfachere Herstellung und eine bessere kommerzielle Rentabilität schließen lässt.