Batterieforschung: Mehr Kapazität durch verbesserte Sauerstoffchemie

Forschende des KIT haben gezeigt, wie Silikate ausdauerndere Lithium-Ionen-Batterien möglich machen
Sauerstoffverbindung
Mehr Energiedichte und weniger sauerstoffgetriebene Degradation – das verspricht der Einsatz von Silikaten bei Lithium-Ionen-Batterien. (Grafik: Wiley-VCH GmbH, 2021)

Mobile Geräte mit längerer Laufzeit oder Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite – Lithium-Ionen-Batterien mit einer höheren Energiedichte könnten vieles ermöglichen. Die größten Kapazitäten werden theoretisch mit sauerstoffbasierter Chemie erreicht, doch in der Praxis sind die Möglichkeiten durch Zersetzungsprozesse wie aufgeblähte Zellen oder plötzlicher Spannungsabfall begrenzt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun nachgewiesen, wie der Einsatz von speziellen Silikaten solche aggressiven Oxidationsprozesse mildern kann. Damit könnte die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien enorm erhöht werden. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Sauerstoff bindet auch mit Sauerstoff

In Silikaten ist der Sauerstoff gemeinsam mit Aktivmetallen wie Nickel, Kobalt oder auch Mangan in relativ stabilen Verbindungen mit Silizium gebunden. „Verwendet man die richtigen Silikate an der Batteriekathode, dann begünstigt das eine spezifische Form der Oxidation während des Betriebs einer Batterie. Statt die Kristallstruktur zu zerstören, bindet der Sauerstoff an sich selbst und bildet sogenanntes Peroxo-Dimer“, sagt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Energiespeichersysteme (IAM-ESS) des KIT. Der Nachweis dieser Sauerstoffvariante gelang seinem Forschungsteam gemeinsam mit Partnern über charakteristische Veränderungen der elektronischen Anregungen (Röntgenabsorptions-Spektroskopie) und der Atomschwingungen (Raman-Spektroskopie) in den Aktivmaterialien. „Neben einer größeren Materialstabilität begünstigt diese Form der Oxidation auch einen Ladungsausgleich bei konstanter Spannung“, so Ehrenberg.

mhe, 19.04.2021