$3750 (-0,87 %) Der chinesische Batteriehersteller CATL hat einen Durchbruch in der Lithium-Metall-Batterie-Technologie (LMB) durch quantitative Kartierung bekanntgegeben und damit eigenen Angaben zufolge Neuland in der Elektrolytstrategie betreten. “Diese bahnbrechende Forschung, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, ermöglicht LMBs mit hoher Energiedichte und verlängerter Lebensdauer und löst damit eine seit langem bestehende Herausforderung in diesem Bereich”, schreibt CATL in einer Pressemitteilung. Der optimierte Prototyp habe eine Lebensdauer von 483 Zyklen erreicht und könne in moderne Designs integriert werden, um eine Energiedichte von mehr als 500 Wh/kg zu erreichen. “Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung der kommerziellen Nutzbarkeit für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und die elektrische Luftfahrt”, führt CATL aus.
LMB-Batterien gelten aufgrund ihrer intrinsisch hohen Energiedichte als mögliches Batteriesystem der nächsten Generation, insbesondere für High-End-Anwendungen wie Elektroautos und vor allem E-Nutzfahrzeuge mit großer Reichweite und die elektrische Luftfahrt, erläutert das Unternehmen weiter. Allerdings mussten bei diesen Batterien lange Zeit Kompromisse zwischen Energiedichte und Lebensdauer eingegangen werden.
Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Verbesserung der Zellleistung durch Optimierung der Solvatationsstrukturen und der Festelektrolyt-Phasengrenzflächen. “Diese Ansätze gingen jedoch oft zu Lasten der Lebensdauer, sodass keine kommerziell nutzbaren Lösungen erzielt werden konnten. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der genauen Quantifizierung des Verbrauchs von aktivem Lithium und Elektrolytkomponenten während des Zyklus konnten nur begrenzte Fortschritte beim Verständnis des Ausfallverhaltens von LMB erzielt werden”, erläutert CATL.
Verdünnungsmittel bringt die Lösung
Um diese Hürde zu überwinden, habe das Forschungs- und Entwicklungsteam von CATL eine Reihe von Analysetechniken entwickelt und verfeinert, mit denen die Entwicklung des aktiven Lithiums und jeder Elektrolytkomponente während des gesamten Lebenszyklus der Batterie verfolgt werden könne. Dieser Ansatz verwandelte den Ausführungen nach eine „Black Box“ in eine „White Box“ und deckte die kritischen Entleerungswege auf, die zum Ausfall der Zellen führen.
Das Team entdeckte, dass entgegen früheren Annahmen die Hauptursache für den Zellausfall nicht der Zerfall des Lösungsmittels, die Ansammlung von inaktivem Lithium oder die Störung der Solvatationsumgebung ist, sondern der kontinuierliche Verbrauch des Elektrolytsalzes LiFSI, von dem bis zum Ende der Lebensdauer 71 Prozent verbraucht sind. “Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, den Fokus der Branche über die Coulomb-Effizienz (CE) hinaus, die lange Zeit als Schlüsselkennzahl für LMBs galt, auch auf die Elektrolythaltbarkeit als kritischen Faktor für eine nachhaltige Leistung auszuweiten”, schreibt CATL.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen optimierte CATL die Elektrolytformulierung durch die Einführung eines Verdünnungsmittels mit niedrigerem Molekulargewicht, heißt es weiter. Diese Anpassung erhöhte den Massenanteil des LiFSI-Salzes, verbesserte die Ionenleitfähigkeit und verringerte die Viskosität, ohne die Gesamtmasse des verwendeten Elektrolyts zu erhöhen. “Der daraus resultierende LMB-Prototyp weist zwar die gleiche CE wie die vorherige Version auf, verdoppelt jedoch die Lebensdauer auf 483 Zyklen und kann in neuen Designs mit einer Energiedichte von über 500 Wh/kg eingesetzt werden”, heißt es in der Mitteilung. Dieser Durchbruch leite einen Paradigmenwechsel bei der Entwicklung von Batterien ein, die sowohl energiereich als auch langlebig sind.
Gleiches Gewicht, doppelt so viel Energie
Zum Vergleich: Eine von Herstellern aktuell zumeist eingesetzte NMC-Batterie hat eine Energiedichte von etwa 250 Wh/kg, also etwa halb so viel wie die neuartige Batterie von CATL. Die Energiedichte von LFP-Batterien, wie sie Tesla und viele andere Hersteller mehr und mehr verwenden, liegt in der Regel sogar unter 200 Wh/kg. Und selbst Feststoffbatterien, die als Hoffnungsträger gelten, kommen bislang eher nicht auf solch gute Werte wie die LMB-Batterie von CATL. Bei einer Fahrzeugbatterie mit 100 kWh Kapazität wiegt das Material alleine also 400 Kilo, bei einer LMB-Batterie wären es nur 200 Kilo. Bei gleichem Gewicht könnte der Akku also 200 kWh Energie liefern, was mit Blick auf die von CATL berichtete Lebensdauer knapp 100.000 kWh Gesamtenergie ermöglichen würde. Damit kann ein Elektroauto etwa 500.000 Kilometer fahren.