Hohe Leistung in frostiger Umgebung
Materialien mit negativer Wärmeausdehnung als Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien
Die meisten Festkörper dehnen sich mit steigender Temperatur aus und schrumpfen beim Abkühlen. Einige Materialien machen es anders und dehnen sich in der Kälte aus. Dazu zählt ein Lithium-Titan-Phosphat, das damit eine Lösung für das Problem der stark abnehmenden Leistung von Lithium-Ionen-Akkus in kalten Umgebungen sein könnte. In der Zeitschrift Angewandte Chemie demonstriert ein chinesisches Team dessen Eignung als Elektrodenmaterial für Akkus.
Lithium-Ionen- und andere Akkus auf Basis von Metallionen versorgen unsere tragbaren Geräte mit Strom, treiben Fahrzeuge an und speichern Solar- und Windenergie. Das funktioniert gut, solange es warm ist. Fallen die Temperaturen, kann die Leistungsfähigkeit der Akkus erheblich sinken – problematisch z.B. für Elektrofahrzeuge, die Luft- und Raumfahrt und militärische Anwendungen. Gegenmaßnahmen, wie eingebaute Heizungen, verbesserte Elektrolyte oder Elektrodenbeschichtungen, erhöhen die Kosten und Komplexität der Akku-Herstellung oder verringern die Leistung.
Eine der Ursachen für das Kälteproblem ist die verlangsamte Diffusion der Lithium-Ionen innerhalb des Elektrodenmaterials. Hier setzt das Team von der Donghua University und der Fudan University in Shanghai sowie der Inner Mongolia University in Hohhot an und schlägt einen neuen Ansatz vor: Elektroden aus elektrochemischen Energiespeicher-Materialien mit negativer Wärmeausdehnung (negative-thermal-expansion, NTE) wie Lithium-Titan-Phosphat LiTi2(PO4)3 (LTP). Das Team um Liming Wu, Chunfu Lin und Renchao Che verwendete LTP als Modellsubstanz, um zu zeigen, dass Elektrodenmaterialien mit NTE-Eigenschaften unter niedrigen Temperaturen gute Leistungen bringen können.
Eine Analyse der Kristallstruktur ergab ein dreidimensionales Gitter aus TiO6-Oktaedern und PO4-Tetraedern mit offener, flexibler Struktur und „Höhlen“ sowie „Kanälchen“, in die Lithium-Ionen eingelagert werden. Beim Abkühlen dehnt sich die Struktur entlang einer der Kristallachsen aus. Durch spektrometrische und elektronenmikroskopische Analysen sowie Computerberechnungen stellte das Team fest, dass sich bei niedrigen Temperaturen die Schwingungsmodi der Atome verändern. So treten spezielle Querschwingungen bestimmter Sauerstoffatome verstärkt auf. Dadurch vergrößern sich deren Abstände zueinander, die Hohlräume des Gitters werden erweitert und so Einlagerung und Transport von Lithium-Ionen erleichtert. Bei −10 °C erreicht ihre Diffusionsgeschwindigkeit noch 84% des Werts für 25 °C. Elektrochemische Tests an Kohlenstoff-beschichtetem LTP ergaben eine auch bei −10 °C gute elektrochemische Leistung mit hoher Kapazität und hoher Entladungsrate sowie sehr hohem Kapazitätserhalt über 1000 Lade/Entlade-Zyklen.
Materialien mit negativer Wärmeausdehnung sind damit ein vielversprechender Ansatz als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien für kalte Umgebungen.
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