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Neue Lithium Kathoden werden mit (zu) viel Spannung erwartet

In Kathoden aus Metalloxiden reagieren die Lithium-Ionen beim Entladen des Akkus normalerweise mit den schweren, positiv geladenen Metallionen wie Kobalt, Nickel oder Mangan. Dabei nimmt das Metallion ein Elektron wieder auf, das es beim Laden des Akkus abgegeben hat. Bei anionischen Redoxprozessen passiert das Gleiche mit den negativ geladenen Sauerstoff-Ionen der Metalloxide.

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Diese Reaktionen wurden erstmals 2002 nachgewiesen, aber erst seit 2013 systematisch in Kathoden für Lithium- und Natrium-Ionen-Akkus untersucht. Davor wurden die Reaktionen entweder ignoriert oder aktiv vermieden, weil hinter den Reaktionen mit Sauerstoff vermutet wurde, dass sich dabei die Kathode zersetzt. Erst bei genaueren Untersuchungen mit Sauerstoffisotopen zeigten zum Erstaunen der Wissenschaft, dass freigesetzter Sauerstoff nicht aus der Kathode, sondern aus dem Elektrolyt stammte.

Daraufhin wurde gezielt nach besseren Kathodenmaterialien gesucht, in denen der Sauerstoff reversibel mit Lithium und Natrium reagiert. Die Vorteile sind klar: Die Redoxreaktionen mit Sauerstoff laufen bei hoher Spannung ab, geben also viel Energie pro Elektron ab, der Sauerstoff ist ohnehin im Material vorhanden und er hat auch nur ein Viertel der Masse von Nickel oder Kobalt. Die gleiche Menge Material kann also mehr Energie speichern.

Zuerst wurde das Verhalten bei reinem Manganoxid gefunden, in dem ein Teil der Mangan-Atome im Kristallgitter durch Lithium ersetzt wurde. Zur weiteren Stabilisierung wurde später ein Teil des Mangans durch Nickel ersetzt. Das Resultat war Li1,2-(Mn0,6 Ni0,2)O2, in dem je ein Fünftel des Mangans durch Lithium und Nickel ersetzt wurde.

Hohe Akkukapazität wird nur mit langsamen Laden erreicht

2020 wurden Reaktionsbedingungen, Partikelbeschaffenheit, Beschichtungen, Interaktionen mit dem Elektrolyt und andere Eigenschaften des Materials so weit entwickelt, dass es nach 200 Ladezyklen noch fast 95 Prozent der Kapazität hat. Die Ladungsdichte ist mit 280 mAh/g rund 25 Prozent höher als bei herkömmlichen Kathoden, allerdings nur mit einer Ladegeschwindigkeit von 0,1 C. Eine Stunde Ladezeit entspricht 1C. 0,1 C sind 10 Stunden. In einer Veröffentlichung vom Januar 2021 konnten chinesische Forscher sogar 329 mAh/g erreichen, ohne nennenswerte Verluste nach 500 Ladezyklen. Das entspricht einer theoretischen Energiedichte von 1.100 Wh/kg des Kathodenmaterials, ohne Berücksichtigung vom Rest des Akkus.

In beiden Fällen kann die Kapazität bei schnellerer Ladung unter einer Stunde aber nicht erreicht werden, sondern nur etwas mehr als 200 mAh/g. Das ist aber immer noch vergleichbar mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Kathoden mit viel höherem Nickelanteil. Es gibt aber ein großes Hindernis bei der Einführung der neuen Kathodenmaterials. Es wird eine hohe Spannung von 4,8 Volt benötigt, um die maximale Ladungsdichte auch zu erzielen.

Hohe Spannung zersetzt Elektrolyte

Die üblichen flüssigen Elektrolyte zersetzten sich bei dieser Spannung aber schon langsam. Ein normaler Akku würde dabei zu schnell zerstört. Feste Elektrolyte und Polymere halten solche Spannung hingegen aus, teilweise bis zu 5,5 Volt. Deren Einführung wäre unabdingbar, um dieses neue Material nutzen zu können.

Das zweite Problem ist, dass die Kathode nicht mit der vollen Menge Lithium hergestellt werden kann. Ein Teil des Lithiums muss schon vor dem ersten Ladevorgang in der Anode vorhanden sein. Das wäre etwa in Silizium-Anoden der Fall, wie sie auch Tesla benutzen will.

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Eine andere Entwicklung, die zum weit überwiegenden Teil von chinesischen Forschern vorangetrieben wird, ist die Benutzung von Natrium als Alternative zum Lithium. Während Natrium als Salz in großen Halden vorrätig ist, müssen für eine Tonne Lithium etwa 1.000 Tonnen lithiumhaltige Spodumene abgebaut werden. So findet in Australien die Hälfte der weltweiten Lithiumproduktion statt. Dagegen kann die Produktion von Natrium ohne größere Umweltschäden oder Probleme mit Lieferengpässen beliebig ausgebaut werden.

Der 98-jährige Nobelpreisträger John B. Goodenough forscht noch auf dem Gebiet, aber selbst er arbeitet dabei fast nur mit chinesischen Kollegen zusammen.

Dabei erreicht die Energiedichte von praktisch einsetzbaren Natrium-Ionen-Akkus im Jahr 2020 das Niveau von Lithium-Eisenphosphat-Akkus, die auch in Pkw eingesetzt werden. Dabei wurde eine ganze Reihe von Materialien gefunden, die dieses Niveau erreichen.

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 Akkuforschung: Keine Superakkus, sondern einfach bessere KathodenNatrium-Akkus vermeiden selten Rohstoffe 
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Filius 26. Jan 2021 / Themenstart

Sehe ich nicht so. "Günstiger grüner Wasserstoff" wird in vielen Bereichen sinnvoll...

GangnamStyle 25. Jan 2021 / Themenstart

Hier hat sich neben LFP-Akkus (sehr lange Haltbarkeit) und NCM-Zelle durchgesetzt. Blei...

GangnamStyle 25. Jan 2021 / Themenstart

Ja, es stimmt und Bleiakku ist ja nicht tot zubekommen - wegen des geringen Preises. Aber...

Neuro-Chef 24. Jan 2021 / Themenstart

Crolham 23. Jan 2021 / Themenstart

Ich tanz im Dreieck wenns endlich mal Akkus gibt die beim Racen länger als 2-3min...

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