Entwicklung

Höhere Speicherdichte für Lithium

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Batterietechnik | Ein interdisziplinäres Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) forciert die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnik. Kein anderer wiederaufladbarer Energiespeicher kann da mithalten. Für Laptops, Handys oder Kameras ist die Technik unverzichtbar. Derzeit will die Forschung vor allem eine höhere Speicherdichte für Lithium erreichen, um auf diese Weise mehr Energie in einer Batterie speichern zu können. Zudem soll die Lithiumspeicherung schneller funktionieren, damit sich auch Geräte mit hohen Leistungsanforderungen versorgen lassen. Dafür müssen die Komponenten der Batterie neu entwickelt werden.

Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume, den so genannten Zwischengitterplätzen. Diese Wirtsstruktur besteht in der Regel aus Metalloxiden. Die Methode funktioniert gut, allerdings sind die damit erzielbaren Speicherdichten begrenzt, da das Lithium nicht besonders dicht in der Struktur gepackt werden kann. Auch ist die Einlagerung von mehr als einem Lithium-Ion pro Formeleinheit 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.
Eine Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Ruiyong Chen hat nun am KIT ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt, das die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Lithium-Ionen pro Formeleinheit erlaubt. Es wurden Speicherkapazitäten von maximal 420 mAh/g bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen. Durch die vergleichsweise hohe Dichte des Materials ergibt das eine Speicherkapazität bis zu 4600 Wh/L. 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 dichten Packungsstruktur gespeichert. Dadurch werden die deutlich höheren Packungsdichten erreicht.
Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen in dieser Struktur sehr mobil und 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 stabil bleibt. Das ist laut Forscherteam ein Novum bei diesen Speichermaterialien. Die Struktur besitzt eine hohe Defektmobilität, sodass sich das Gitter selbst stabilisieren kann. „Das eigentlich Ungewöhnliche an dem neuen System ist die Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität und einer kleinen Volumenänderung von nur drei Prozent“, berichtet Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner. (ub) •
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