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06.01.2025 16:14
Neue Schutzschicht macht Akkus leistungsfähiger
Ein Forschungsteam des Paul Scherrer Instituts PSI hat ein neues nachhaltiges Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Akkus steigern lässt. Erste Tests entsprechend modifizierter Hochspannungsakkus verliefen erfolgreich. Damit könnten Lithium-Ionen-Akkus, zum Beispiel solche für Elektrofahrzeuge, deutlich effizienter werden.
Lithium-Ionen-Akkus gelten als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung. Deswegen arbeiten Forschende weltweit daran, deren Leistungsfähigkeit fortlaufend zu verbessern; unter anderem durch eine Steigerung der Energiedichte. «Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, liegt darin, die Betriebsspannung zu erhöhen», sagt Mario El Kazzi vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften am Paul Scherrer Institut PSI. «Steigt die Spannung, so steigt auch die Energiedichte.»
Jedoch gibt es da ein Problem: Bei Betriebsspannungen von über 4,3 Volt finden am Übergang von Kathode, dem Pluspol, und dem Elektrolyten, dem Leitmedium, starke chemische und elektrochemische Abbauprozesse statt. Die Oberfläche der Kathodenmaterialien wird durch die Freisetzung von Sauerstoff die Auflösung von Übergangsmetallen und die strukturelle Rekonstruktion stark geschädigt – was wiederum einen fortlaufenden Anstieg des Zellwiderstands und einen Kapazitätsabfall zur Folge hat. Deswegen laufen kommerzielle Batteriezellen, zum Beispiel die von Elektroautos, bisher auch nur mit maximal 4,3 Volt.
Um dieses Problem zu lösen, haben El Kazzi und sein Team eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Oberfläche der Kathode stabilisieren lässt, indem diese mit einer dünnen gleichmässigen Schutzschicht überzogen wird. Über ihre Entdeckung berichten die Forschenden in einer Studie im Fachblatt ChemSusChem (Wiley).
Betriebsspannungen von bis zu 4,8 Volt
Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Gas, das bei der Herstellung von Kunststoffen wie PTFE, PVDF und Schaumstoff als Nebenprodukt entsteht: Trifluormethan mit der chemischen Summenformel CHF3. Im Labor leiteten El Kazzi und sein Team bei 300 Grad Celsius eine Reaktion zwischen dem CHF3 und der dünnen Schicht aus Lithiumkarbonat ein, welche die Oberfläche der Kathoden bedeckt. Dabei wandelt sich das Lithium an der Grenzschicht in Lithiumfluorid (LiF) um. Wichtig dabei: Die Lithium-Atome des Kathodenmaterials bleiben dabei als Ionen erhalten, also als positiv geladene Teilchen. Diese Lithium-Ionen müssen nämlich beim Laden und Entladen zwischen der Kathode und der Anode, dem Minuspol, weiter hin- und herwandern können, damit die Akkukapazität im späteren Betrieb nicht beeinträchtigt ist.
In einem weiteren Schritt prüften die Forschenden die Wirksamkeit der Schutzschicht, indem sie elektrochemische Tests bei hohen Betriebsspannungen durchführten. Das erfreuliche Ergebnis: Die Schutzschicht blieb auch bei hohen Spannungen stabil. Sie schützt das Kathodenmaterial so gut, dass Betriebsspannungen von 4,5 und sogar 4,8 Volt möglich sind.
Im Vergleich zu Batterien mit ungeschützten Kathoden schnitten die beschichteten bei allen wichtigen Parametern deutlich besser ab. So war die Impedanz, also der Widerstand für die Lithium-Ionen an der Grenzfläche der Kathode, nach einhundert Auf- und Entladedurchgängen um rund 30 Prozent niedriger als bei den Batterien mit unbehandelter Kathode. «Ein eindeutiges Zeichen dafür, dass unsere Schutzschicht den Anstieg des Widerstandes abschwächt, der durch die sonst stattfindenden Grenzflächenreaktionen auftritt», erklärt El Kazzi.
Verglichen wurde auch der Kapazitätserhalt. Dieser steht für die Menge an Lithium-Ionen, die nach einer bestimmten Anzahl Auf- und Entladedurchgängen immer noch von der Kathode zur Anode wandern können. Je näher dieser Wert an 100 Prozent liegt, desto geringer ist der Kapazitätsabfall. Auch hier erwies sich der Akku mit beschichteter Kathode in den Tests als überlegen: Der Kapazitätserhalt lag bei über 94 Prozent nach 100 Lade- und Entladedurchgängen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit, während der unbehandelte Akku auf nur 80 Prozent kam.
Universelle Lösung mit indirektem Klimaschutz
Das am PSI entwickelte Beschichtungsverfahren öffnet neue Wege, die Energiedichte von verschiedenen Batterietypen zu steigern: «Wir können davon ausgehen, dass unsere Lithiumflorid-Schutzschicht universell und bei den meisten Kathodenmaterialien anwendbar ist», betont El Kazzi. «Sie funktioniert zum Beispiel auch bei Nickel- und Lithium-reichen Hochspannungsbatterien.»
Ein weiterer wichtiger Aspekt des neuen Verfahrens: Trifluormethan ist ein hochwirksames Treibhausgas und mehr als 10 000-mal klimaschädlicher als Kohlendioxid, weswegen es keinesfalls in die Atmosphäre gelangen sollte. Für El Kazzi stellt die Umwandlung in eine einheitliche dünne LiF-Schutzschicht auf der Oberfläche von Kathodenmaterialien eine effiziente Lösung dar, das Gas zu monetarisieren, indem es Teil einer Kreislaufwirtschaft wird. Mit dem neuen Beschichtungsverfahren lässt sich CHF3 recyceln und als Schutzschicht in Hochspannungskathoden langfristig binden.
Text: Andreas Lorenz-Meyer
Kleiner Akku-Guide
Sie stecken in Mobiltelefonen, Laptops, Elektrowerkzeugen, Elektroautos und stationären Energiespeichern: Lithium-Ionen-Akkus. Genannt werden die Allrounder unseres elektrifizierten Alltags so, weil es Lithium-Ionen sind, die beim Laden und Entladen zwischen den beiden Elektroden, Kathode und Anode, hin- und herwandern. Sie bewegen sich dabei durch den flüssigen Elektrolyten und passieren den Separator, der die Elektroden trennt. Während die Anode, der Minuspol, üblicherweise aus Grafit oder Silizium besteht, weist die Kathode, der Pluspol, ganz unterschiedliche chemische Zusammensetzungen auf. Besteht sie zum Beispiel neben Lithium aus Nickel, Kobalt und Mangan, spricht man von einer NCM-Batterie. Bei einer Kathode aus Lithium-Eisen-Phosphat handelt es sich um eine LFP-Batterie.
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Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2300 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 460 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Mario El Kazzi
Center for Energy and Environmental Sciences
Paul Scherrer Institut PSI
+41 56 310 51 49
mario.el-kazzi@psi.ch
[Englisch, Französisch]
Originalpublikation:
Converting the CHF3 Greenhouse Gas into Nanometer-Thick LiF Coating for High-Voltage Cathode Li-ion Batteries Materials
Aleš Štefančič, Carlos Antonio Fernandes Vaz, Dominika Baster, Elisabeth Müller, Mario El Kazzi
ChemSusChem (Wiley), 03.01.2025
DOI: 10.1002/cssc.202402057
Weitere Informationen:
https://www.psi.ch/de/news/medienmitteilungen/neue-schutzschicht-macht-akkus-lei… – Medienmitteilung auf der Webseite des Paul Scherrer Instituts PSI
Bilder
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Mahir Dzambegovic
Paul Scherrer Institut PSI
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Chemie, Elektrotechnik, Energie, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
