Langlebiger und sicherer Forscher verbessern Lithium-Batterien

Batterien und Akkus sind die Technologie der Zukunft, sie treiben Autos, Fahrräder oder Rasenmäher an. Forscher sind bei Lithium-Batterien nun einen Schritt weiter gekommen.
Akku an einem E-Bike: Mit Kalium unerwünschte Nebenreaktionen verhindern

Akku an einem E-Bike: Mit Kalium unerwünschte Nebenreaktionen verhindern

Foto: Christophe Vandercam / imagebroker / imago images

Die Energiewende soll vor allem im Verkehrssektor einiges verändern. Klimafreundliche Fahrzeuge, soviel ist sicher, werden in Zukunft nicht mehr mit Verbrennungsmotoren unterwegs sein. Stattdessen setzen fortschrittliche Autobauer derzeit vor allem auf Elektroautos. Wie gut solche Autos angenommen werden, hat auch mit deren Leistungsfähigkeit zu tun. Und die hängt wiederum von der Qualität der Akkus ab.

Wer günstige und langlebige Batterien herstellt, die schnell laden, viel Energie speichern und wenig kosten, der hat auf diesem Zukunftsmarkt allerbeste Chancen.

Forscher arbeiten deshalb ständig daran, Akkus zu verbessern. Bei Modellen auf Lithiumbasis, die weltweit vom Handy bis zum E-Bike eingesetzt werden, ist das einem Team um Lauren Marbella von der Columbia University in New York City nun gelungen. Sie fanden heraus, dass die Zugabe des Metalls Kalium solche Batterien langlebiger und sicherer macht. Das berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin "Cell Reports Physical Science" . Das Kalium verhindere weitgehend unerwünschte chemische Nebenreaktionen in der Batteriezelle.

Lithium ist hochreaktiv

Ein Problem bei Lithium-Batterien sind chemische Reaktionen zwischen der Elektrode (Plus- oder Minuspol) und den Elektrolyten. Das sind meist Flüssigkeiten, in der sich Elektronen und Ionen - beides elektrisch geladene Teilchen - bewegen. Das ermöglicht das Auf- und Entladen einer Batterie. Allerdings hat gerade Lithium die Eigenschaft, sich mit vielen Stoffen in Elektrolyten zu verbinden - es ist hochreaktiv. Dadurch entsteht eine störende Grenzschicht auf der Elektrode oder es wachsen metallische Strukturen, Dendriten genannt. Wenn ein solcher Dendrit irgendwann beide Elektroden miteinander verbindet, kommt es zu einem Kurzschluss. Im schlimmsten Fall können sogar Brände entstehen.

Um die Zusammensetzung der Elektrolyte besser zu verstehen, haben die Forscher die Batterien mit Kernspinresonanztomografie untersucht und Computersimulationen eingesetzt. "Insbesondere haben wir festgestellt, dass Kalium-Ionen die Bildung unerwünschter chemischer Verbindungen abschwächen, die sich auf der Oberfläche von Lithiummetall ablagern und den Transport von Lithium-Ionen während des Ladens und Entladens der Batterie verhindern", erläutert Marbella ein Ergebnis ihrer Forschungen. Das Wachstum der Mikrostrukturen auf den Elektroden werde dadurch begrenzt. Bei den unerwünschten Substanzen handelt es sich insbesondere um Lithiumkarbonat und Polyethylenglykol.

In ihren Untersuchungen nutzen die Forscher in erster Linie einen häufig verwendeten Elektrolyten namens LP 30. Wenn sie zu diesem eine genau definierte Menge Kaliumhexafluorophosphat hinzugaben, erzielten sie sehr glatte Elektrodenoberflächen. Das Kalium verhindert die unerwünschten chemischen Reaktionen, wird dabei aber nicht verbraucht. Die Ionen bewirken, dass die Elektrodenoberfläche weniger löslich ist und sich Lithium-Ionen als Träger der elektrischen Ladung dort besser anlagern können.

Suche nach der Batterie der Zukunft

Bisher werden den Elektrolyten oft Stoffe zugesetzt, die sich an die unerwünschten Reaktionsprodukte binden. Der Einsatz von Kalium-Ionen biete hingegen einen alternativen Ansatz, um Lithium-Batterien zu verbessern, schreiben die Forscher.

Kalium spielt bei der Entwicklung von Batterien schon länger eine wichtige Rolle. Lithium ist ein begehrter aber knapper Rohstoff bei der Herstellung von Batterien. Er kommt überwiegend aus Chile und Australien, die Vorkommen sind begrenzt. Auch die technischen Möglichkeiten von Lithium-Ionen-Batterien gelten langfristig als begrenzt. Deshalb suchen Wissenschaftler schon länger nach umweltschonenden und günstigen Alternativen zu Lithium. Kalium könnte dabei eine wichtige Rolle spielen. Noch sind alternative Techniken aber nicht so weit, um Lithium ablösen zu können.

joe/dpa
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