Chinesische Forscher erfinden neues Material für Lithium-Festkörperbatterien

Chinesische Forscher haben ein neues Kathodenmaterial entwickelt, das die Lebensdauer von Lithium-Festkörperbatterien erhöht und damit ihre Eignung für kommerzielle Anwendungen verbessern könnte.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ veröffentlicht.

Das Forschungsteam des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erklärte am Montag gegenüber der Nachrichtenagentur Xinhua, Lithium-Festkörperbatterien mit festen Elektrolyten würden weniger leicht auslaufen und brennen als herkömmliche flüssige Lithium-Ionen-Batterien, die häufig in Elektrofahrzeugen, Mobiltelefonen und Computern eingesetzt werden.

Laut Ju Jiangwei, Doktorand am QIBEBT und korrespondierender Autor der Forschungsarbeit, ermöglicht ihre neue Entwicklung Lithium-Festkörperbatterien mit hoher Leitfähigkeit, hoher spezifischer Entladekapazität, geringer Volumenänderung, hoher Energiedichte und langer Lebensdauer im Vergleich zu früheren Lithium-Festkörperbatterien.

Der Name dieses neuen homogenen Kathodenmaterials, das den Lithium-Festkörperbatterien eine höhere Sicherheit und eine bessere Leistung verleiht, wurde noch nicht bekannt gegeben.

Laut Ju erreicht das neue Material eine mehr als 1.000-mal höhere elektronische und ionische Leitfähigkeit als herkömmliche Kathodenmaterialien für Batterien. Es kann Lade- und Entladezyklen problemlos ohne Leitzusätze durchlaufen, was den Prozess der Batterieherstellung vereinfacht und auch die Leistung der Lithium-Festkörperbatterie verbessert.

Ju betonte auch, dass die Volumenänderung des neuen Materials von 1,2 Prozent während des Ladens und Entladens der Stabilität der Batteriestruktur zuträglicher sei als die des herkömmlichen Materials, das eine Volumenänderung von über 2,6 Prozent aufweise. Selbst nach 5.000 Lade- und Entladezyklen verfüge die Batterie aus dem neuen Material noch über 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

In der Studie wird auch erwähnt, dass die Energiedichte des neuen Materials von bis zu 390 Wattstunden pro Kilogramm eine längere Batterielebensdauer bedeute, die 1,3-mal so hoch ist wie die der modernsten Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt.

Für Lithium-Festkörperbatterien als Antriebsbatterien gibt es einen riesigen Markt und ihre erfolgreiche Kommerzialisierung wird der chinesischen New Energy Vehicle (NEV)-Industrie und der Wirtschaft im bodennahen Luftraum einen starken Impuls verleihen.

Nach Ansicht des Forschungsteams stellen Lithium-Festkörperbatterien eine neue Generation von Energiespeichertechnologie dar, mit der Strom aus Wind- und Sonnenkraft gespeichert werden kann. Diese Batterien können dazu beitragen, Chinas strategische „Dual Carbon“-Ziele zu erreichen, den umweltfreundlichen und kohlenstoffarmen Wandel der chinesischen Wirtschaft und Gesellschaft aktiv voranzutreiben und die Innovation grüner Technologien und die industrielle Entwicklung zu forcieren.

Das Ausgangsmaterial des neuen Materials wurde erstmals in einem Artikel des Nobelpreisträgers John Bannister Goodenough aus dem Jahr 2008 erwähnt. Das Forschungsteam stellte fest, dass es das Potenzial für eine hervorragende Ionenleitfähigkeit besitzt. Aufgrund seiner komplexen elementaren Zusammensetzung benötigte das Team zwei Jahre, um dieses Ausgangsmaterial zu synthetisieren.

„Entgegen unseren Erwartungen ist die ionische Leitfähigkeit dieses Materials gering, während die elektronische Leitfähigkeit hoch ist. Wir haben deshalb zunächst die Ionenleitfähigkeit mithilfe von Germanium verbessert und dann versucht, die elektronische Leitfähigkeit durch den Ersatz von Schwefel durch Selen zu erhöhen, und schließlich das neue Material erhalten“, so Ju.

Das Forschungsteam fand auch heraus, dass der Ersatz von Germanium durch billiges und reichlich vorhandenes Silizium die Kosten der Batterie erheblich senken und zur Kommerzialisierung von Lithium-Festkörperbatterien beitragen kann.

„Wir bereiten dieses Material derzeit in kleinen Chargen vor und gehen davon aus, dass wir in zwei bis drei Jahren eine Produktion im großen Maßstab erreichen werden. Was die Kosten betrifft, so hoffen wir, zukünftig ein neues Material mit weniger Lithium zu entwickeln. Wenn das gelingt, können die Kosten von Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien auf 30 Prozent der Kosten von Lithium-Flüssigbatterien gesenkt werden“, so Ju weiter.

Ju wies darauf hin, dass sich das Forschungsteam in Zukunft auch auf das Recycling von Lithium-Festkörperbatterien konzentrieren werde.