Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energiespeicher-samsung-versilbert-den-lithium-akku-2003-147165.html    Veröffentlicht: 11.03.2020 07:00    Kurz-URL: https://glm.io/147165

Energiespeicher

Samsung versilbert den Lithium-Akku

E-Autos mit 800 km Reichweite durch Akkus mit mehr Kapazität und Sicherheit. Samsung hat viele Probleme der Technik gelöst und sie wäre auch bezahlbar.

Elektroautos mit 800 km Reichweite will Samsung dank eines neuen Festkörperakkus auf Basis einen Lithium-Ionen-Akkus erreichen, der eine höhere Energiedichte und bessere Sicherheit verspricht. Das sagte das Unternehmen in einer Pressemeldung. Details dazu wurden im Wissenschaftsjournal Nature Energy veröffentlicht. Ohne flüssiges Elektrolyt bläht sich der Akku nicht mehr so leicht auf und platzt, wenn er erhöhten Temperaturen ausgesetzte wird. Vor allem aber gelang es Samsung, eine Anode herzustellen, in der das Lithium einfach als reines Lithiummetall gespeichert wird. Normalerweise wird ein Gramm Lithium in etwa zehn Gramm Graphit eingelagert, was die Energiedichte entsprechend senkt.

Mit der neuen Technik konnten die Forscher eine kleine Zelle mit einer Energiedichte von über 900 Wh pro Liter bauen. Die Forscher schätzen, dass deutlich über 1.000 Wh/l erreichbar sind, während aktuell nur rund 700 Wh/l erreicht werden. Zum Gewicht machten sie hingegen keine Angaben. Die Technik des Akkus scheint noch nicht ganz marktfähig zu sein, löst aber viele der bisherigen Probleme. Er funktioniert auch bei Zimmertemperatur und übersteht 1.000 Ladezyklen - bei 60 Grad Ladetemperatur. Die Lade- und Entladegeschwindigkeit ist aber noch vergleichsweise langsam und der Akku musste im Betrieb mit einer Kraft von 2 MPa zusammengedrückt werden, um einen guten Kontakt zwischen den Elektroden und dem festen Elektrolyt herzustellen. 2 MPa entspricht etwa der Gewichtskraft von 20 kg pro Quadratzentimeter.

Das Hauptproblem der Speicherung von Lithium als Metall in einer Akkuanode ist die Bildung von sogenannten Dendriten. Beim Laden des Akkus, wenn sich die Lithiumionen zur Anode bewegen, entstehen sehr leicht dünne Verästelungen aus Lithiummetall, die immer weiter wachsen. Sie können zu Kurzschlüssen führen, was den Akku zerstört, oder abbrechen, womit sie nicht mehr Teil des Akkus sind und Kapazität verloren geht.

Der Akku lässt sich nicht schnell laden

Samsung konnte dieses Problem mit einer dünnen Schicht aus Silber- und Kohlenstoffnanopartikeln in einem Bindemittel lösen, die auf dem festen Elektrolyten aufgebracht wird. Die Technik kommt sogar ohne einen großen Überschuss an Lithium aus, der beim Bau anderer Versionen solcher Feststoffakkus notwendig war. Der hohe Druck auf den Akku war notwendig, um den Kontakt zwischen dieser Schicht und dem Elektrolyten zu verbessern. Ohne ihn konnte zwar die volle die Kapazität abgerufen werden, aber nur noch mit einem Zehntel der Leistung.

In großen Akkus, wie etwa in einem Auto, kann leicht die nötige Kraft auf den Akku ausgeübt werden. Bevor Samsung damit aber die versprochenen Autos mit bis zu 800 km Reichweite bauen kann, sollte vor allem die Ladegeschwindigkeit verbessert werden. Seine volle Kapazität erreichte der Akku nur beim Laden und Entladen über jeweils fünf Stunden. Bei je zwei Stunden verlor er rund 30 Prozent seiner Kapazität. Schnellladung wurde nicht getestet. Auch die Temperatur des Akkus hat einen Einfluss. Bei 45 Grad hat er noch fast volle Kapazität, bei 25 Grad sind es 90 Prozent und bei 0 Grad nur noch 70 Prozent.

Der Silberanteil ist dagegen kein großes Problem, zumal auch im Rest des Akkus keine seltenen Stoffe zum Einsatz kamen.



Ein wenig Silber macht leichte Anoden aus fast reinem Lithium möglich

Den Verbrauch an Silber gaben die Forscher mit 8 bis 16 mg/Ah an. Das entspricht etwa 2,5 bis 5 Gramm Silber pro Kilowattstunde. Der Silberpreis liegt derzeit bei etwa 50 Cent pro Gramm. Wobei der inflationsbereinigte Preis in der Vergangenheit zwischen einem Drittel und dem Dreifachen dieses Preises schwankte. Würde die gesamte Produktion von Lithium-Akkus auf dieses Verfahren umgestellt, würden etwa 500 bis 1.000 Tonnen Silber verbraucht. Das ist weniger als der Silberverbrauch für Photographie, der vor der Umstellung auf Digitalkameras ein Viertel des Silberverbrauchs ausmachte. Die weltweite Silberproduktion betrug zuletzt 27.000 Tonnen pro Jahr, bei Reserven von etwa 500.000 Tonnen.

Beim Bau des restlichen Akkus kamen keine weiteren seltenen Stoffe zum Einsatz. Das Bindemittel ist eine Mischung aus einem Lösemittel und einem gebräuchlichen Kunststoff aus der Akkutechnik, der die Nanopartikel zusammenhält und auf das feste Elektrolyt aufgebracht wird, das die Kathode von der Anode trennt. Das Elektrolyt ist im Aufbau ein Argyrodit, besteht aber aus einer Verbindung von Lithium, Phosphor, Schwefel und Chlor. Die verwendete Kathode besteht aus gewöhnlichem Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, mit nur 5 Prozent Kobaltanteil.

Beim Laden des Akkus gelang es den Forschern erstmals, dass die Lithiumschicht auf dem elektrischen Kontakt wuchs, statt auf der Grenzschicht zwischen den festen Elektrolyten und der Anode. Dadurch übersteht der Akku mehr Ladezyklen, weil sonst an der Grenzschicht der Elektrolyt zersetzt wird und den Akku langsam zerstört. Die Forscher vermuten, dass die hohe Ionenleitfähigkeit des Materials im Vergleich zur elektrischen Leitfähigkeit für das Phänomen verantwortlich ist. Sie können es aber selbst noch nicht erklären.

Die Technik könnte noch bessere Akkus ermöglichen

Die Silbernanopartikel haben das Problem der Dendritenbildung, der kleinen Verästelungen, gelöst. Sie bilden zusammen mit dem Lithium eine Legierung, die beim Abscheiden auf der Stahlelektrode eine gleichmäßige Schicht bildet, die beim Entladen genauso gleichmäßig wieder abgebaut wird. Dabei werden einige der Silberpartikel während des Ladens abgebaut, sie entstehen beim Entladen aber neu, wenn sich die Lithium-Silber-Legierung wieder auflöst.

Eine offene Frage bleibt leider das Gewicht der Akkus und damit dessen Energiedichte. In dem veröffentlichten Papier wurde nur die Energiedichte bezogen auf das Volumen angegeben und auf die Kapazität des reinen Kathodenmaterials (210 mAh/kg bei 3,76 Volt durchschnittlicher Spannung oder 790 Wh/kg), aber nichts zur Kapazität relativ zum Gesamtgewicht inklusive der Akkuhülle, den elektrischen Kontakten, des Elektrolyts und der Kohlenstoff-Silber-Schicht, die für die neue Anode unverzichtbar ist, gesagt. Der Grund ist wahrscheinlich, dass die Forscher den Aufbau nicht so stark optimieren konnten, wie es in der Massenproduktion möglich ist. Energiedichten zwischen 300 und 400 Wh/kg dürften aber realistisch sein.

Interessant ist auch, dass die neue Anodentechnik in Zukunft vielleicht auch Lithium-Schwefel-Akkus mit deutlich höherer Energiedichte und ohne Nickel und Kobalt möglich machen könnte, die nur ohne die herkömmlichen Graphitanoden sinnvoll funktionieren würden. Allerdings ginge das mit doppelt so hohem Lithiumverbrauch pro kWh einher.

 (fwp)


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