Lithium-Lanthan-Titanat / KIT

Anodenmaterial für sichere und langlebige Li-Ionen-Batterien

30. Juli 2020, 08:44 Uhr   |  Ralf Higgelke

Anodenmaterial für sichere und langlebige Li-Ionen-Batterien
© IAM, KIT

Mit neuen Materialien will ein Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen.

Weltweit wird nach neuen Materialien für Hochleistungsbatterien gesucht. Mit Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur haben Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der chinesischen Jilin-Universität ein vielversprechendes Anodenmaterial gefunden.

Möglichst viel Energie auf möglichst kleinem Raum bei möglichst geringem Gewicht zu speichern – diese Anforderung erfüllen Lithium-Ionen-Batterien nach wie vor am besten. Die Forschung zielt darauf, Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer dieser Batterien zu steigern. Dabei kommt es wesentlich auf die Elektrodenmaterialien an.

Anoden in Lithium-Ionen-Batterien nutzen ein Aktivmaterial – überwiegend Graphit –, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Allerdings haben Graphit-Anoden eine niedrige Laderate und weisen zudem Sicherheitsprobleme auf. Unter den alternativen Aktivmaterialien wurde Lithium-Titanat-Oxid (LTO) bereits kommerzialisiert. LTO-Anoden bieten eine höhere Laderate und gelten als sicherer als solche mit Graphit. Allerdings haben solche Lithium-Titanat-Batterien tendenziell eine niedrigere Energiedichte.

Karlsruher Institut für Technologie, KIT, Lithium-Ion Batteries, Anode, Jilin University
© Fei Du/Jilin University

Schematische Darstellung der Perowskit-Kristallstruktur von Lithium-Lanthan-Titanat.

Mit Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO) hat ein Team um Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun ein weiteres vielversprechendes Anodenmaterial erforscht. Wie die gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Jilin-Universität in Changchun, China, und weiterer Forschungseinrichtungen in China und Singapur durchgeführte Studie ergeben hat, weisen LLTO-Anoden im Vergleich zu kommerzialisierten LTO-Anoden ein niedrigeres Elektrodenpotenzial auf. Dadurch lassen sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen.

»Zellspannung und Speicherkapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie«, erklärt Ehrenberg und ergänzt: »Künftig könnten LLTO-Anoden  besonders sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen.« Die Studie trägt zur Arbeit der Forschungsplattform für elektrochemische Speicher CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe) bei, einer der größten Batterieforschungsplattformen weltweit, in die auch das Exzellenzcluster POLiS eingebettet ist.

Neben Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer entscheidet auch die Laderate über die Eignung einer Batterie für anspruchsvolle Anwendungen. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronentransport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolytmaterialien ab. Um die Laderate zu verbessern, ist es üblich, die Partikelgröße des Elektrodenmaterials von der Mikrometer- auf die Nanometerskala zu reduzieren. Wie die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, ermöglichen bei perowskitstrukturiertem LLTO aber selbst Partikel von einigen Mikrometern eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Laderate als LTO-Nanopartikel.

Dies führt das Forscherteam auf sogenannte pseudokapazitive Eigenschaften von LLTO zurück: An diesem Anodenmaterial lagern sich nicht nur einzelne Elektronen an, sondern ladungstragende Ionen, die über schwache Kräfte gebunden sind und reversibel Ladungen an die Anode übertragen können. »Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kostengünstigere Verfahren der Elektrodenherstellung«, erläutert Ehrenberg.

Originalpublikation

Lu Zhang, et al.: Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries. Nature Communications, 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-17233-1

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