Forscher lösen großes Problem: Ruhepausen stellen Leistung entladener Lithium-Metall-Batterien wieder her

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Forscher lösen großes Problem: Ruhepausen stellen Leistung entladener Lithium-Metall-Batterien wieder her

Sie könnten die Reichweite von Elektroautos enorm steigern, haben aber einen großen Haken: Lithium-Metall-Batterien verlieren schnell an Leistung. Eine Studie zeigt nun, wie sich ihre Ladekapazität länger erhalten ließe.

Von Stefan Parsch, dpa

Sie könnten die Reichweite von Elektroautos auf mehr als 1000 Kilometer steigern, verlieren aber bislang zu schnell an Ladekapazität. Doch Lithium-Metall-Batterien einige Stunden im komplett entladenen Zustand zu halten, könnte ihre Leistungsfähigkeit deutlich erhöhen.

Forscher um Yi Cui und Wenbo Zhang von der Stanford University in Kalifornien beschreiben im Fachjournal „Nature“ einen Weg, einer Lithium-Metall-Batterie nach 100 Lade-Entlade-Zyklen eine um 44 Prozent höhere Kapazität zu verschaffen.

Früher dachten wir, dass dieser Energieverlust nicht umkehrbar sei. Doch wir können die verlorene Kapazität einfach dadurch wiederherstellen, dass wir die entladene Batterie ruhen lassen.

Yi Cui, Forscher an der Stanford University in Kalifornien

Bei Lithium-Ionen-Batterien – wie sie derzeit etwa in Laptops und Elektroautos gängig sind – wird für die Elektrode, die beim Entladevorgang als Anode funktioniert, in der Regel Grafit verwendet. Dieses Material stellt jedoch selbst keine Elektronen für das Laden und Entladen zur Verfügung, und das schmälert die Leistung. Dagegen könnte eine Lithium-Anode – wie in einer Lithium-Metall-Batterie – durch mehr verfügbare Elektronen die Energiedichte erhöhen. Zudem ist Lithium leichter als Grafit, was Gewicht sparen würde.

Lithium-Metall-Batterien sind vielversprechend

„Lithium-Metall-Batterien, die metallisches Lithium als Anode verwenden, sind als nächste Generation wiederaufladbarer Batterien vielversprechend“, schreibt Laura Merrill von den Sandia National Laboratories in Albuquerque in einem „Nature“-Kommentar. Bisher hat der schnelle Kapazitätsverlust nach kurzem Gebrauch verhindert, dass Lithium-Metall-Batterien als Akkus genutzt werden. Stattdessen finden sie Verwendung, etwa als nicht aufladbare Knopfzellen. 

Das Problem bei Lithium-Metall-Batterien ist Folgendes: Bei gängigen Elektrolyten als Batterieschicht, in der sich die Elektronen bewegen, bildet sich an der Anode eine sogenannte Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase. Diese besteht im Wesentlichen aus zersetztem Elektrolyt und ist für das Funktionieren der Batterie wichtig. Doch können kleine Körnchen aus metallischem Lithium in diese Grenzphase eingebunden und damit von der Anode isoliert werden.

Neue Perspektive

Diese abgetrennten Körnchen bedeuten einen Kapazitätsverlust, denn sie nehmen nicht mehr an den Lade-Entlade-Zyklen teil. Cui, Zhang und Kollegen stellten nun fest, dass die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase sich größtenteils auflöst, wenn die Batteriezelle eine Weile im entladenen Zustand verbleibt. In der Folge bekommen die meisten Lithiumkörnchen wieder Kontakt zur Anode, beteiligen sich also wieder am Lade-Entlade-Vorgang. 

„Früher dachten wir, dass dieser Energieverlust nicht umkehrbar sei“, wird Cui in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. „Aber unsere Studie hat gezeigt, dass wir verlorene Kapazität einfach dadurch wiederherstellen können, dass wir die entladene Batterie ruhen lassen.“

Im Kommentar bescheinigt Merrill den Studienautoren, eine „entscheidende neue Perspektive“ aufgezeigt zu haben. Allerdings hätten die Wissenschaftler bisher nur im Bereich der Niederspannung geforscht, zudem sei der Effekt nicht an halb geladenen Batteriezellen untersucht worden. 

Cui, Zhang und Kollegen sind jedoch zuversichtlich, dass sich das zeitweilige Halten von Batteriezellen im entladenen Zustand etwa in Elektroautos durch entsprechend programmierte Batterie-Managementsysteme umsetzen lässt. Diese könnten bei Bedarf einzelne Batteriesegmente komplett entladen – während andere weiter aktiv bleiben. Damit bliebe ein Fahrzeug grundsätzlich einsatzbereit.

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Eine Quelle: www.tagesspiegel.de