Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat Anodenmaterial für künftige Hochleistungsbatterien untersucht. Die Lithium-Lanthan-Titanat-Anode mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO) könnte die Energie- und Leistungsdichte sowie Laderate, Sicherheit und Lebensdauer von Batterien verbessern, zeigte sich das KIT in einer Mitteilung zuversichtlich. Das Institut hat eine entsprechende Studie zusammen mit Wissenschaftlern der chinesischen Jilin-Universität in Changchun sowie weiteren Forschungseinrichtungen in China und Singapur vorgelegt.

Anoden in Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einem Stromableiter und einem darauf aufgebrachten Aktivmaterial, in dem Energie in Form chemischer Bindungen gespeichert wird. Als Aktivmaterial dient dabei zurzeit überwiegend Graphit. Negative Elektroden aus Graphit wiesen allerdings eine niedrige Laderate und Sicherheitsprobleme auf, so das KIT. Als Alternativmaterial sei Lithium-Titanat-Oxid (LTO), welches eine höhere Laderate biete und als sicherer gelte, bereits in Gebrauch. Da Lithium-Ionen-Batterien mit LTO-Anoden aber tendenziell eine niedrigere Energiedichte haben, forscht das KIT an LLTO. Denn im Vergleich zu Lithium-Titan-Oxid-Anoden weisen die untersuchten LLTO-Anoden ein niedrigeres Elektrodenpotenzial auf. Hierdurch sei eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität zu erreichen, welche letztlich die Energiedichte einer Batterie bestimmen.

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„Künftig könnten LLTO-Anoden so besonders sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen“, erklärt Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien und Energiespeichersysteme des KIT.
Zudem sei die Laderate für die Eignung einer Batterie entscheidend. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronentransport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolytmaterialien ab. Während üblicherweise die Partikelgröße des Elektrodenmaterials von der Mikrometer- auf die Nanometerskala reduziert werde, um die Laderate zu verbessern, ermöglichen perowskitstrukturierte LLTO-Anoden dies ohne eine Verkleinerung der Partikel. „Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kostengünstigere Verfahren der Elektrodenherstellung“, so Ehrenberg.

Für den steigenden Bedarf an Elektroautos und intelligenten Stromnetzen sind langlebige und sichere Batterien notwendig. Ziel der Batterieforschung sei es daher, möglichst viel Energie auf kleinem Raum bei geringem Gewicht zu speichern, so das KIT weiter. Diese Anforderung erfüllen demnach Lithium-Ionen-Batterien am besten. Die Forschung ziele daher darauf, die Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer dieser Batterien zu steigern. Dabei komme es wesentlich auf die Elektrodenmaterialien an. Die Studie ist Teil der Batterieforschungsplattform „CELEST“ (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe).

In Kooperation mit dem Branchendienst energate.

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