Ruhen steigert die Leistung von Lithium-Metall-Batterien

Totes Lithium wieder zum Leben erwecken: Ein simpler Ansatz verlängert die Batterie-Lebensdauer

13.02.2024

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Die nächste Generation von Elektrofahrzeugen könnte mit Lithium-Metall-Batterien betrieben werden, die mit einer einzigen Ladung 500 bis 700 Meilen weit kommen - doppelt so weit wie die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in heutigen Elektrofahrzeugen.

Die Lithium-Metall-Technologie hat jedoch gravierende Nachteile: Die Batterie verliert nach relativ wenigen Lade- und Entladezyklen schnell ihre Fähigkeit, Energie zu speichern - äußerst unpraktisch für Fahrer, die erwarten, dass wiederaufladbare Elektroautos jahrelang funktionieren.

Wissenschaftler haben eine Reihe von neuen Materialien und Techniken getestet, um die Lebensdauer der Batterie zu verbessern. Jetzt haben Forscher der Stanford University eine kostengünstige Lösung gefunden: Man entleert einfach die Batterie und lässt sie mehrere Stunden lang ruhen. Dieser einfache Ansatz, der in einer am 7. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie beschrieben wird, stellte die Batteriekapazität wieder her und steigerte die Gesamtleistung.

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"Wir suchten nach dem einfachsten, billigsten und schnellsten Weg, die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien zu verbessern", sagte Wenbo Zhang, ein Stanford-Doktorand in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, der die Studie mitverfasst hat. "Wir entdeckten, dass durch das Ruhen der Batterie im entladenen Zustand die verlorene Kapazität wiederhergestellt und die Lebensdauer erhöht werden kann. Diese Verbesserungen können allein durch eine Neuprogrammierung der Batterieverwaltungssoftware erzielt werden, ohne dass zusätzliche Kosten oder Änderungen bei der Ausrüstung, den Materialien oder dem Produktionsablauf erforderlich sind."

Die Ergebnisse der Studie könnten den Herstellern von Elektrofahrzeugen praktische Einblicke in die Anpassung der Lithium-Metall-Technologie an die realen Fahrbedingungen geben, sagte der Hauptautor Yi Cui, der Fortinet Founders Professor of Materials Science and Engineering in der School of Engineering und Professor für Energie und Technik in der Stanford Doerr School of Sustainability.

"Lithium-Metall-Batterien sind Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten", so Cui. "Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, künftige Studien zu leiten, die die Weiterentwicklung von Lithium-Metall-Batterien hin zu einer weit verbreiteten kommerziellen Nutzung unterstützen werden."

Lithium-Metall- vs. Lithium-Ionen-Technologie

Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie besteht aus zwei Elektroden - einer Graphitanode und einer Lithium-Metalloxid-Kathode -, die durch einen flüssigen oder festen Elektrolyten getrennt sind, der die Lithiumionen hin- und herbewegt.

Bei einer Lithium-Metall-Batterie wird die Graphitanode durch ein galvanisch abgeschiedenes Lithiummetall ersetzt, wodurch auf gleichem Raum doppelt so viel Energie wie bei einer Lithium-Ionen-Batterie gespeichert werden kann. Die Lithium-Metall-Anode wiegt auch weniger als die Graphitanode, was für Elektrofahrzeuge wichtig ist. Lithium-Metall-Batterien können mindestens ein Drittel mehr Energie pro Pfund speichern als Lithium-Ionen-Batterien.

"Ein Auto mit einer Lithium-Metall-Batterie hätte eine doppelt so große Reichweite wie ein Lithium-Ionen-Fahrzeug gleicher Größe - 600 Meilen pro Ladung gegenüber 300 Meilen", sagt Philaphon Sayavong, ein Doktorand der Chemie, der die Studie mitverfasst hat. "Bei Elektrofahrzeugen besteht das Ziel darin, die Batterie so leicht wie möglich zu halten und gleichzeitig die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen.

Eine Verdoppelung der Reichweite könnte die Reichweitenangst von Fahrern beseitigen, die vor dem Kauf eines Elektroautos zurückschrecken. Leider führt das ständige Auf- und Entladen dazu, dass Lithium-Metall-Batterien sich schnell abnutzen, so dass sie für den normalen Fahrbetrieb unbrauchbar werden. Wenn die Batterie entladen wird, werden mikrometergroße Lithiummetallstücke isoliert und bleiben in der festen Elektrolytinterphase (SEI) hängen, einer schwammigen Matrix, die sich dort bildet, wo Anode und Elektrolyt aufeinandertreffen.

"Die SEI-Matrix ist im Wesentlichen ein zersetzter Elektrolyt", erklärt Zhang. "Sie umgibt isolierte Lithiummetallstücke, die von der Anode abgezogen wurden, und verhindert, dass sie an elektrochemischen Reaktionen teilnehmen. Aus diesem Grund betrachten wir isoliertes Lithium als tot".

Wiederholtes Laden und Entladen führt dazu, dass sich zusätzliches totes Lithium ansammelt, wodurch die Batterie schnell an Kapazität verliert. "Ein Elektrofahrzeug mit einer modernen Lithium-Metall-Batterie würde viel schneller an Reichweite verlieren als ein Elektrofahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie", so Zhang.

Entladung und Ruhe

In früheren Arbeiten entdeckten Sayavong und seine Kollegen, dass sich die SEI-Matrix aufzulösen beginnt, wenn die Batterie inaktiv ist. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis beschloss das Stanford-Team zu untersuchen, was passiert, wenn die Batterie im entladenen Zustand ruht.

"Der erste Schritt bestand darin, die Batterie vollständig zu entladen, so dass kein Strom durch sie fließt", so Zhang. "Durch die Entladung wird das gesamte metallische Lithium von der Anode entfernt, so dass nur noch inaktive, isolierte Lithiumstücke übrig bleiben, die von der SEI-Matrix umgeben sind".

Der nächste Schritt bestand darin, die Batterie im Leerlauf zu belassen.

"Wir fanden heraus, dass sich ein Teil der SEI-Matrix, die das tote Lithium umgibt, auflöst, wenn die Batterie nur eine Stunde lang im entladenen Zustand ruht", so Sayavong. "Wenn man die Batterie also wieder auflädt, verbindet sich das tote Lithium wieder mit der Anode, weil weniger feste Masse im Weg ist.

Durch die Wiederverbindung mit der Anode wird das tote Lithium wieder zum Leben erweckt, wodurch die Batterie mehr Energie erzeugen und ihre Lebensdauer verlängern kann.

"Bisher dachten wir, dass dieser Energieverlust irreversibel sei", so Cui. "Aber unsere Studie hat gezeigt, dass wir die verlorene Kapazität wiederherstellen können, indem wir die entladene Batterie einfach ruhen lassen.

Mit Hilfe der Zeitraffer-Videomikroskopie konnten die Forscher den Zerfall der restlichen SEI und die anschließende Wiederherstellung des toten Lithiums während der Ruhephase visuell bestätigen.

Praktische Anwendungen

Ein durchschnittlicher amerikanischer Autofahrer verbringt jeden Tag etwa eine Stunde hinter dem Steuer, so dass die Idee einer mehrstündigen Ruhephase für die Autobatterie durchaus realistisch ist.

Ein typisches Elektroauto kann 4.000 Batterien haben, die in Modulen angeordnet sind und von einem Batteriemanagementsystem gesteuert werden, einem elektronischen Gehirn, das die Batterieleistung überwacht und steuert. Bei einer Lithium-Metall-Batterie kann das bestehende Managementsystem so programmiert werden, dass ein einzelnes Modul vollständig entladen wird, so dass es keine Kapazität mehr hat.

Dieser Ansatz erfordert keine teuren, neuen Fertigungstechniken oder Materialien, fügte Zhang hinzu.

"Man kann unser Protokoll so schnell implementieren, wie man braucht, um den Code für das Batteriemanagementsystem zu schreiben", sagte er. "Wir glauben, dass bei bestimmten Arten von Lithium-Metall-Batterien allein die Ruhephase im entladenen Zustand die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen erheblich verlängern kann.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Wenbo Zhang, Philaphon Sayavong, Xin Xiao, Solomon T. Oyakhire, Sanzeeda Baig Shuchi, Rafael A. Vilá, David T. Boyle, Sang Cheol Kim, Mun Sek Kim, Sarah E. Holmes, Yusheng Ye, Donglin Li, Stacey F. Bent, Yi Cui; "Recovery of isolated lithium through discharged state calendar ageing"; Nature, Volume 626, 2024-2-7

https://www.chemie.de/news/1182704/ruhen-steigert-die-leistung-von-lithium-metall-batterien.html