Lithiumkarbonat-Trick steigert Energiedichte von Batterien um zehn Prozent

Der japanische Konzern Asahi Kasei hat ein Verfahren entwickelt, das Lithiumkarbonat als zusätzliche Lithiumquelle in Batterien mit Silizium-Anoden nutzt. Die neue Vordotierungstechnologie soll den typischen Kapazitätsverlust beim ersten Ladezyklus ausgleichen und die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen spürbar steigern, ohne die Kosten der Zellproduktion zu erhöhen.

Das Problem mit Silizium-Anoden

Silizium speichert deutlich mehr Lithium als das bislang übliche Graphit und gilt deshalb als vielversprechendes Anodenmaterial für Batterien mit hoher Energiedichte. Der Nachteil: Beim ersten Aufladen verbraucht Silizium einen erheblichen Teil des verfügbaren Lithiums, etwa zur Bildung einer Schutzschicht auf der Elektrodenoberfläche. Ein Teil dieses Lithiums geht dabei dauerhaft verloren, was die nutzbare Kapazität der Zelle mindert. Je höher der Siliziumanteil in der Anode, desto größer fällt dieser Verlust aus. Hersteller müssen den Effekt bislang mit zusätzlichem Kathodenmaterial ausgleichen, was die Zellen teurer macht. Ingenieur:innen suchen daher seit Jahren nach Wegen, diesen Verlust auszugleichen, ohne die Produktionskosten in die Höhe zu treiben.

Günstiges Material löst technische Hürde

Asahi Kasei setzt auf Lithiumkarbonat, ein kostengünstiges Material mit langer Tradition in der Batterieproduktion. Bislang zerfällt Lithiumkarbonat allerdings erst bei Spannungen, die weit über dem normalen Betriebsbereich von Lithium-Ionen-Zellen liegen. Spezielle Additive im Elektrolyten senken nun die nötige Zersetzungsspannung, sodass sich das Material bei regulärer Zellspannung auflöst. Dafür wird Lithiumkarbonat der Kathode beigemischt und dient dort als Opferquelle: Während der ersten Aufladung zerfällt es und gibt Lithium frei, das den Verlust an der Anode kompensiert.

Zehn Prozent mehr Energiedichte im Test

In internen Tests kombinierte Asahi Kasei eine Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode mit einer Anode aus 90 Prozent Graphit und 10 Prozent Siliziummonoxid. Das Ergebnis: eine um zehn Prozent höhere Energiedichte gegenüber der herkömmlichen Bauweise. Nach Angaben des Unternehmens lässt sich die Technologie zudem ohne größere Anpassungen in bestehende Fertigungslinien integrieren und funktioniert mit verschiedenen Kathoden- und Anodenkombinationen.

Der Bedarf an leistungsfähigeren Batterien wächst mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und humanoiden Robotern, die beide auf kompakte und ausdauernde Energiespeicher angewiesen sind. Parallel dazu erhöhen Batteriehersteller die Betriebsspannung ihrer Kathodenmaterialien, um zusätzliche Energiedichte zu gewinnen. Asahi Kasei plant nun, gemeinsam mit Kund:innen weltweit Proof-of-Concept-Tests durchzuführen und die Technologie anschließend über verschiedene Lizenzmodelle verfügbar zu machen, je nach Entwicklungsstand der jeweiligen Partner.

via Asahi Kasei

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