KIT: Lithium-Speichermaterialien verdichtet

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Optimiertes Speicherprinzip und neues Material sorgen für höhere Speicherdichte von Lithium in Batterien

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des vom KIT gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Ruiyong Chen hat ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt. Die Wissenschaftler forcieren die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien und haben dabei ein neues Kathodenmaterial entwickelt, das deutlich höhere Energiespeicherdichten als bisher bekannte Systeme bietet. In der Zeitschrift Advanced Energy Materials stellt die Forschungsgruppe das neue Materialsystem vor.

Neues Speichermaterial mit (links) und ohne Lithium (rechts). – Abbildung © HIU

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie – kein anderer wiederaufladbarer Energiespeicher kann mit ihr mithalten. Für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras ist sie unersetzlich. Die Forschung will derzeit höhere Speicherdichten für Lithium erreichen, um damit mehr Energie schneller zu speichern, um auch hohen Leistungsanforderungen zu genügen. Dafür müssen ein detailliertes Verständnis der elektrochemischen Vorgänge erarbeitet und Komponenten der Batterie neu entwickelt werden.

Lithium deutlich dichter in stabile Struktur packen

Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume (so genannte Zwischengitterplätze) – einer Wirtsstruktur, welche in der Regel aus Metalloxiden besteht. Diese 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 in der Regel 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.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien wird in dem von der Forschergruppe vorgestellten System das Lithium nicht mehr auf Zwischengitterplätzen, sondern direkt auf den Gitterplätzen einer kubisch dichtesten Packungsstruktur gespeichert, wodurch deutlich höhere Packungsdichten erreicht werden. Das neue Speicherprinzip samt darauf basierendem Material erlaubt die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li pro Formeleinheit. Mit einem Material der Zusammensetzung Li2VO2F wurden Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g, bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen. Durch die vergleichsweise hohe Dichte des Materials ergibt das eine Speicherkapazität bis 4600 Wh/L, bezogen auf das Aktivmaterial.

Hohe Defektmobilität

Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen in dieser Struktur sehr mobil und können leicht ein- und ausgebaut werden. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt überraschenderweise stabil bleibt – ein Novum bei solchen Speichermaterialien. Die Struktur besitzt eine hohe Defektmobilität, sodass sich das Gitter selbst stabilisieren kann.

„Die hohe Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität, verbunden mit einer sehr kleinen Volumenänderung von nur 3% ist das eigentlich Ungewöhnliche an diesem neuen System. Das Speicherprinzip scheint zudem auf andere Zusammensetzungen übertragbar zu sein. Mit anderen Verbindungen ähnlicher Struktur messen wir derzeit sogar noch höhere Energiedichten als mit dem auf Vanadium basierenden System“, berichtet Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vereint als selbständige Körperschaft des öffentlichen Rechts die Aufgaben einer Universität des Landes Baden-Württemberg und eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft. Seine drei strategischen Felder Forschung, Lehre und Innovation verbindet das KIT zu einer Mission. Mit rund 9 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 24 500 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) wurde im Januar 2011 vom KIT als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft in Kooperation mit der Universität Ulm gegründet. Mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere renommierte Einrichtungen als assoziierte Partner in das HIU eingebunden. Das internationale Team aus rund 110 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern forscht im HIU an der Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz.

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