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Risse im Elektrodenmaterial vermeiden

Neues „zero-strain“-Elektrodenmaterial aus Lithium-Metallfluorid für Lithium-Ionen-Batterien.

Das Kathodenmaterial besitzt eine Colquiriit-Kristallstruktur, in der Lithiumfluorid (grün) als Platzhalter dient, sodass Lade- und Entladevorgänge nur zu extrem geringen Volumenänderungen führen.

Wie attraktiv ein Smartphone, Tablet oder Laptop ist, hängt nicht zuletzt von der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Akkus ab. Forscher arbeiten daher daran, die Energiespeicher so zu verbessern, dass diese auch nach vielen tausend Lade- und Entladevorgängen noch die volle Leistung bereitstellen.

Stand der Technik

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit sind unter anderem die Vorgänge im Elektrodenmaterial. Dies besteht in der Regel aus Festkörpern, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen. Damit ein Akku Strom liefert, müssen die im Kathodenmaterial enthaltenen Übergangsmetalle Elektronen aufnehmen und wieder abgeben. Zum Ladungsausgleich werden positiv geladene Metallionen, häufig Lithium-Ionen, in das Elektrodenmaterial ein- und ausgelagert. Bei jeder Einlagerung dehnt sich das Festkörpergitter ein wenig aus und schrumpft bei den umgekehrten Vorgängen wieder zusammen. Diese Volumenveränderungen in der Kristallstruktur können zu feinen Rissen im Elektrodenmaterial führen. Im Laufe der Zeit nimmt daher die Leistungsfähigkeit ab, im schlimmsten Fall fällt der Akku komplett aus.

Technologie

Forscher des Instituts für Angewandte Materialien (IAM-KWT) am KIT haben ein Elektrodenmaterial entwickelt, das Akkus zukünftig zuverlässiger machen könnte. Es handelt sich um ein als Kathodenmaterial geeignetes Lithium-Metallfluorid, das neben Lithium noch zwei weitere Metalle, beispielsweise Eisen und Kalzium, enthält. Während des Ladens und Entladens bleiben die Gitterabstände des in der Colquiriit-Struktur vorliegenden Elektrodenmaterials nahezu unverändert, es handelt sich um ein sogenanntes zero-strain-Material. Im Vergleich zu derzeit eingesetzten Kathodenmaterialien ist daher die Volumenveränderung – und damit auch die Gefahr einer Rissbildung – wesentlich geringer.

Vorteile

Das entwickelte Kathodenmaterial eignet sich für den Bau langlebiger Akkus, beispielsweise für mobile Elektrogeräte. Zudem ist die Entwicklung vorteilhaft für Geräte und Sensoren, die an schwer zugänglichen Standorten eingesetzt werden und deren Akkus nur mit großem Aufwand gewechselt werden können.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und zum Einsatz der Technologie in der Praxis.

Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Dr. Aude Pélisson-Schecker, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanagerin Energie, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-25335

E-Mail: pelisson-schecker@kit.edu

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