Eine Möglichkeit, Lithium-Ionen-Akkus leistungsfähiger zu machen, ist die Steigerung der Energiedichte – etwa durch die Steigerung der Betriebsspannung. Allerdings finden bei Betriebsspannungen von über 4,3 Volt am Übergang von Kathode zum Elektrolyten starke chemische und elektrochemische Abbauprozesse statt. Wird die Oberfläche der Kathodenmaterialien geschädigt, kommt es zu einem fortlaufenden Anstieg des Zellwiderstands und einem Kapazitätsabfall. Daher laufen kommerzielle Batteriezellen wie etwa die von Elektroautos bisher mit maximal 4,3 Volt. Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam des Paul Scherrer Instituts (PSI) ein neues Verfahren entwickelt und in der Publikation „Converting the CHF3 Greenhouse Gas into Nanometer-Thick LiF Coating for High-Voltage Cathode Li-ion Batteries Materials“ (DOI: 10.1002/cssc.202402057) vorgestellt.
Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Gas, das bei der Herstellung von Kunststoffen wie PTFE, PVDF und Schaumstoff als Nebenprodukt entsteht: Trifluormethan (CHF3). Im Labor leitete das Team bei 300 Grad Celsius eine Reaktion zwischen dem CHF3 und der dünnen Schicht aus Lithiumkarbonat ein, welche die Oberfläche der Kathoden bedeckt. Dabei wandelte sich das Lithium an der Grenzschicht in Lithiumfluorid (LiF) um, gleichzeitig blieben die Lithium-Atome des Kathodenmaterials als Ionen erhalten. Bei elektrochemischen Tests bei hohen Betriebsspannungen zeigte sich, dass diese Schutzschicht auch bei hohen Spannungen stabil bleibt und das Kathodenmaterial so gut schützt, dass Betriebsspannungen von 4,5 und sogar 4,8 Volt möglich sind.
Dem Forschungsteam zufolge schnitten die beschichteten Kathoden bei allen wichtigen Parametern deutlich besser ab als ungeschützte Kathoden. Die Impedanz, also der Widerstand für die Lithium-Ionen an der Grenzfläche der Kathode, sei nach einhundert Auf- und Entladedurchgängen um rund 30 Prozent niedriger gewesen als bei den Batterien mit unbehandelter Kathode. Mario El Kazzi vom PSI-Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften sieht darin ein eindeutiges Zeichen, dass die Schutzschicht den Anstieg des Widerstandes abschwächt, der durch die sonst stattfindenden Grenzflächenreaktionen auftritt. Auch beim Kapazitätserhalt habe sich der Akku mit beschichteter Kathode in den Tests als überlegen gezeigt: Bei beschichteten Akkus habe er bei über 94 Prozent nach 100 Lade- und Entladedurchgängen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit gelegen, bei unbehandelten Akkus nur bei 80 Prozent.
„Wir können davon ausgehen, dass unsere Lithiumflorid-Schutzschicht universell und bei den meisten Kathodenmaterialien anwendbar ist“, so El Kazzi. Sie funktioniere beispielsweise auch bei Nickel- und Lithium-reichen Hochspannungsbatterien. Einen Vorteil sieht er zudem in der Verwendung von Trifluormethan. Dieses Treibhausgas sei deutlich klimaschädlicher als Kohlendioxid und dürfe keinesfalls in die Atmosphäre gelangen. Mit dem neuen Beschichtungsverfahren lasse sich CHF3 recyceln und als Schutzschicht in Hochspannungskathoden langfristig binden.
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„Auch beim Kapazitätserhalt habe sich der Akku mit beschichteter Kathode in den Tests als überlegen gezeigt: Bei beschichteten Akkus habe er bei über 94 Prozent nach 100 Lade- und Entladedurchgängen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit gelegen, bei unbehandelten Akkus nur bei 80 Prozent.“ Bezieht sich die Aussage auf einen Vergleich bei der höheren Spannung? Sonst ist der Test seltsam, denn nach 100 Vorgängen sollte kein Speicher 20% Kapazität verlieren.
Sollte der Test bei erhöhter Spannung stattgefunden haben: Kann die Beschichtung im bisher angewendeten Spannungsfenster die Zyklenfestigkeit dann nicht auch Signifikant erhöhen? Nicht überall ist höhere Kapazität so wichtig wie eine lange Lebensdauer, da wäre die Fortschritt sehr begrüßenswert!
die Zyklenfestigkeit ist schon sehr hoch, unser Fahrzeugakku hat bei 30000km Fahrleistung noch einen Zustand von 99-98%. Ein normaler Akku für den Hausgebrauch einer PV Anlage hält locker 20 Jahre ohne massive Einbußen. Was wichtig ist, ist der 1000km Akku, der kommt dadurch um einiges näher.