Neue Technologie könnte Schnellladen von Batterien ermöglichen

Der neue Elektrolyt hat eine höhere Ladegeschwindigkeit, ist fest und nicht brennbar. Bis zur Marktreife wird aber noch einige Zeit vergehen. [...]

Lithium Atome in einer Anionen-Matrix (c) Joel Varley/LLNL

Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und des National Institute of Standards and Technology (Nist) haben es laut einem Artikel im Advanced Energy Materials  geschafft, die Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen–Batterien zu erhöhen. In den neuen Akkus ist der Elektrolyt, anders als bisher, fest statt flüssig. Dies hat auch andere Vorteile. Zb sind die neuen Batterien sicherer als derzeitige Systeme, da sie nicht brennen können.

Noch warnen die Forscher vor überzogenen Erwartungen für Festkörperbatterien in Elektroautos und anderen Stromverbrauchern. Aber ihre Entdeckung ist doch mehr als vielversprechend.

Herausforderung Elektrolyt

Eines der größten Hindernisse beim Bau von Festkörperbatterien ist der Elektrolyt. Es gibt kaum Materialien, die Lithium-Ionen schnell genug passieren lassen. Genau das aber muss beim Laden und Entladen passieren. Einigen fehlt es an Langzeitstabilität, andere sind schwer handzuhaben. Die meisten Kandidaten, die übrig bleiben, lassen Lithium-Ionen nicht schnell genug passieren. Deshalb müssen sie dünn sein, was die Langzeitstabilität gefährdet.

Forscher bringen Lithium-Ionen auf Trab

Die leitenden Ingenieure Brandon Wood und Mirjana Dimitrievska haben im Elektrolyten einige Brom- gegen Kohlenstoffatome ausgetauscht. Das erlaubt es den Lithium-Ionen, sich schneller zu bewegen. Das ist gleichbedeutend mit einer höheren Ladegeschwindigkeit.

Ihr Material namens closo-Boran besteht aus Bor–Wasserstoff-Molekülen, die auf den Ecken eines virtuellen Vielecks sitzen. Beispiele sind Oktaeder mit sechs und Ikosaeder mit zwölf Ecken. Borane sind elektrochemisch stabil, haben aber noch einige Nachteile, die noch Forschungsarbeit nötig machen, ehe die neuartigen Batterien einsetzbar sind. Nötig sind eine höhere thermische Stabilität und Festigkeit sowie eine bessere Zyklusfähigkeit – sie müssen mehr Lade– und Entladezyklen schadlos überstehen.

Neuer Elektrolyt ist eine Art Salz

Die Entdeckung machten Nist-Forscher und deren Kollegen an den Sandia National Laboratories, einer Forschungs- und Entwicklungseinrichtung des US-Energieministeriums mit mehreren Standorten. Sie waren die Ersten, die in Boronen einzelne Bor– gegen Kohlenstoffatome austauschten. Der Elektrolyt, der aus dieser Basis entwickelt worden ist, ist eine Art Salz, das aus positiv geladenen Lithium-Kationen und negativ geladenen closo-Boran-Anionen besteht.

Das Kohlenstoffatom verwandelt das Boron in einen Dipol, der ein Wegweiser für Lithium–Ionen ist. Er zeigt ihnen, wie sie auf dem kürzesten und damit schnellsten Weg an ihr Ziel kommen. Jetzt machen sich die Forscher daran, den Elektrolyt zu optimieren. Bis die schnellladefähigen Festkörperbatterien aber tatsächlich auf den Markt kommen werden, wird es laut den Forschern noch eine Weile dauern.

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