Stabileres Schnellladen: Zellulose und Zeolith lösen altes Problem der Lithium-Metall-Akkus

Lithium-Metall-Akkus gelten seit Jahren als vielversprechender Nachfolger heutiger Lithium-Ionen-Zellen, weil sie deutlich mehr Energie pro Gewicht speichern könnten. Das metallische Lithium in der Anode reagiert jedoch chemisch sehr leicht und scheidet sich beim Laden oft ungleichmäßig ab. Dabei bilden sich nadelartige Dendriten, die den Separator durchstoßen, Kurzschlüsse auslösen und die Lebensdauer der Zelle verkürzen können. Besonders beim Schnellladen verschärft sich dieses Problem, weil hohe Stromstärken den Ionenfluss durch die Trennschicht zusätzlich belasten. Forscher:innen der Hanbat National University in Südkorea um Professor Sun-Yul Ryou haben nun einen Separator entwickelt, der dieses Problem an der Wurzel angeht, indem er selbst aktiv am Ionentransport mitwirkt.

Zellulose und Zeolith verteilen die Ionen gleichmäßiger

Herkömmliche Separatoren aus Polyethylen trennen Anode und Kathode zuverlässig, benetzen sich mit flüssigem Elektrolyten aber nur begrenzt. Das kann den Ionenstrom ungleichmäßig verteilen und die Dendritenbildung begünstigen. Das koreanische Team kombinierte deshalb eine poröse Zellulosematrix mit Bikitaite, einem lithiumhaltigen Zeolith, der zusätzliche Transportwege für die Ionen schafft. Der Kontaktwinkel der neuen Membran lag bei nur 3,1 Grad, verglichen mit 38,9 Grad beim Polyethylen-Separator, was auf eine deutlich bessere Benetzung hinweist. Die Lithium-Ionen-Überführungszahl stieg auf 0,742 gegenüber 0,606 beim Vergleichsmaterial, die ionische Leitfähigkeit erreichte bei 25 Grad Celsius 3,45 Millisiemens pro Zentimeter. In optischen Beobachtungszellen schied sich das Lithium mit der neuen Membran spürbar gleichmäßiger und kompakter ab, während der Polyethylen-Separator dendritische Strukturen und elektrisch inaktives Lithium hervorbrachte.

Formstabil auch bei starker Hitze

Ein weiterer Vorteil zeigte sich bei hohen Temperaturen. Der Polyethylen-Separator begann sich ab etwa 130 Grad Celsius zusammenzuziehen und schrumpfte oberhalb von 140 Grad um bis zu 93,8 Prozent. Die Zellulose-Zeolith-Membran blieb dagegen selbst bei 200 Grad Celsius ohne sichtbare Schrumpfung oder Verfärbung formstabil. Eine solche Stabilität kann verhindern, dass sich Anode und Kathode bei Hitze durch einen schrumpfenden Separator direkt berühren. Für eine vollständige Sicherheitsbewertung sind jedoch weitere Tests an größeren Zellen nötig.

Deutlich mehr Kapazität bei schnellen Zyklen

In symmetrischen Testzellen mit zwei Lithium-Metall-Elektroden lief das wiederholte Abscheiden und Ablösen von Lithium mit dem neuen Separator mehr als 2.200 Stunden stabil. In Knopfzellen mit einer Lithium-Metall-Anode und einer nickelreichen NCM90-Kathode zeigte sich der Unterschied besonders bei hohen Lade- und Entladeraten. Bei einer Entladerate von 4C erreichten die Zellen mit der neuen Membran rund 163 Milliamperestunden pro Gramm, die Vergleichszellen mit Polyethylen-Separator nur etwa 115. Nach 200 Zyklen bei 0,5C Laden und 1C Entladen blieben rund 84,8 Prozent der Anfangskapazität erhalten, gegenüber 74,1 Prozent beim Vergleichsmaterial. Unter härteren Bedingungen mit 2C Laden und 4C Entladen behielten die Zellen nach 2.585 Zyklen noch rund 60 Prozent ihrer Kapazität, bei einer Coulomb-Effizienz von etwa 99,7 Prozent. Selbst bei minus 25 Grad Celsius blieben nach 150 Zyklen noch 68,9 Prozent der Entladekapazität erhalten.

Von der Knopfzelle zur Serienfertigung

Hergestellt wurde der Separator durch Vakuumfiltration, ein Verfahren, das sich im Labor bewährt hat. Ob sich die gemessenen Werte für Zyklenfestigkeit, thermische Stabilität und Ionenleitfähigkeit auch in größeren Zellen und unter industriellen Fertigungsbedingungen reproduzieren lassen, muss sich erst noch zeigen. Die bisherigen Ergebnisse liefern jedoch einen konkreten Ansatz, um Lithium-Metall-Akkus auch bei den hohen Strombelastungen des Schnellladens haltbarer zu machen.