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Batterieforschung : Lithium für den Superakku

Unkontrolliert wachsende Lithiumkristalle stellen für Lithium-Akkus ein ernstes Sicherheitsproblem dar. Bild: Science Photo Library

Der Lithium-Metall-Akku erlebt eine Wiedergeburt. Denn er ist leichter, günstiger und deutlich leistungsfähiger als die klassische Lithium-Ionen-Batterie. Auch das Sorgenkind, die Lithium-Anode, bekommt man immer besser in den Griff.

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          Politiker und Verkehrsexperten scheinen sich einig: Die Zukunft gehört der Elektromobilität. Doch damit Elektroautos mit Benzin- und Dieselfahrzeugen auch auf längeren Strecken konkurrieren können, bedarf es Akkus, die leistungsfähiger sind als die klassischen Lithium-Ionen-Batterien. Denn bislang ist spätestens nach 350 Kilometern der Akku leer. Pech, wenn keine Ladestation in der Nähe ist. Doch die Leistungsfähigkeit der Marktführer ist weitgehend ausgereizt, so dass höhere Reichweiten kaum zu erwarten sind. Daher tüftelt man allerorts bereits an einer neuen Generation wiederaufladbarer Stromquellen.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          In diesem Zusammenhang ist ein Batterietyp wieder in den Fokus des Interesses gerückt, mit dem schon einer der Väter des Lithium-Ionen-Akkus, der Chemie-Nobelpreisträger von 2019 Stanley Whittingham, vor vierzig Jahren experimentierte, aber auch seine Probleme hatte: der Lithium-Metall-Akku. Weil die negative Elektrode (Anode) aus reinem Lithium besteht, ist er nicht nur leichter als ein klassischer Lithium-Ionen-Akku mit einer Graphit-Anode, er besitzt auch eine bis zu 65 Prozent höhere Energiedichte. Elektroautos könnten mit einer solchen Batterie somit deutlich weiter fahren.

          Allerdings ist Lithium ein äußerst reaktives Element und als Elektrodenmaterial nur schwer zu handhaben. Die Lithium-Anode zersetzt sich bei jedem Entladen, was die Kapazität und die Energiedichte der Batterie schnell verringert. Zudem wächst das Lithium beim Ladevorgang unkontrolliert und nadelförmig an der Elektrodenoberfläche. Diese Dendrite können brechen, was zum Verlust von aktivem Material führt. Werden die Nadeln zu lang, können sie bis zur gegenüberliegenden Kathode gelangen. Ein Kurzschluss ist die Folge, was im schlimmsten Fall zum Brand oder zur Explosion des Akkus führen kann – eine Gefahr, mit der schon Whittingham zu kämpfen hatte. Deshalb gibt es Lithium-Metall bislang vor allem als Knopfzelle und nicht als wiederaufladbaren Akku.

          Eine Lithium-Elektrode schützt sich selbst

          „Um das Wachstum der Dendriten zu verhindern, werden verschiedene Wege eingeschlagen“, sagt Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Der Forscher arbeitet mit seinen Kollegen seit langem an stabilen Lithium-Metall-Anoden. Sie bilden die negative Elektrode eines Lithium-Schwefel-Akkus, ein weiterer Hoffnungsträger unter den wiederaufladbaren Stromspeichern der neuen Generation. Denn sie versprechen höhere Energiedichten. Zudem nutzen sie preiswerten Schwefel als Kathodenmaterial anstelle wertvoller Metalle.

          Lithium-Schwefel-Akkus in Gestalt von Pouchzellen
          Lithium-Schwefel-Akkus in Gestalt von Pouchzellen : Bild: IWS

          Um der Dendritenbildung und einer Degeneration der Anode entgegenzuwirken, experimentieren die Dresdner Batterie-Forscher wie viele andere Gruppen auch mit polymeren Schutzschichten auf der Anodenoberfläche und speziellen flüssigen Elekrolyten. Beides soll dafür sorgen, dass sich die Alkalimetall-Ionen gleichmäßig auf der Elektrode ablagern und auf der Oberfläche keine Kristallisationskeime für Dendriten entstehen. Andere Forschergruppen setzten auf leitfähige Kunststoffe oder Keramiken anstelle von flüssigen Elektrolyten. Zwar lässt sich auch hier eine Dendritenbildung nicht ganz verhindern, der Feststoffelektrolyt kann aber bei einem Kurzschluss nicht brennen.

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