Forscher der University of Maryland haben eine einfache Methode entdeckt, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu verlängern, einer Kerntechnologie, die alles antreibt, von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen. Der Schlüssel liegt in einer subtilen chemischen Anpassung, die die Bildung einer Schutzschicht auf der Kathode der Batterie fördert – etwas, das bisher als äußerst schwierig galt.
Das Problem mit Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien verschlechtern sich mit der Zeit aufgrund chemischer Zersetzung im Elektrolyten, der Flüssigkeit, die die Bewegung der Ionen zwischen den Elektroden ermöglicht. Derzeit bildet sich auf der negativen Anode auf natürliche Weise eine Schutzschicht, die diese stabilisiert. Aber die positive Kathode, die unter reaktiveren Bedingungen arbeitet, unterliegt traditionell einem schnelleren Abbau, da der Elektrolyt zerfällt, bevor sich eine stabile Schutzschicht bilden kann. Dies schränkt die Lebensdauer und Leistung des Akkus ein.
Die Lösung: Geführter Elektrolytabbau
Das von Chunsheng Wang geleitete Team nutzte eine der organischen Chemie entlehnte Reaktion, um den Abbau des Elektrolyten zu „steuern“. Anstelle einer zufälligen Zersetzung wird der veränderte Elektrolyt kontrolliert abgebaut und bildet eine stabile Schutzschicht auf der Kathode. Diese Schicht schützt die Kathode vor weiteren Schäden und verlängert so die Lebensdauer erheblich.
„Durch die Steuerung des Elektrolytabbaus auf molekularer Ebene konnten wir die Schutzschicht, die sich auf der Kathode bildet, präzise steuern“, erklärt Xiyue Zhang, Postdoktorand des Projekts.
Abstimmbare Leistung: Leistung vs. Langlebigkeit
Entscheidend ist, dass es sich bei diesem Ansatz nicht um eine Universallösung handelt. Die resultierende Ebene kann abgestimmt werden. Eine dickere Schicht bedeutet besseren Schutz und längere Lebensdauer, ideal für Anwendungen, bei denen Stabilität im Vordergrund steht. Eine dünnere Schicht ermöglicht schnellere elektrochemische Reaktionen und maximiert so die Leistungs- und Energieausbeute. Diese Flexibilität bedeutet, dass Batterien für spezifische Anforderungen optimiert werden können.
Auswirkungen auf die reale Welt
Experten glauben, dass diese Optimierung problemlos in bestehende Batterieherstellungsprozesse integriert werden könnte. Michel Armand von CIC energiGUNE, einem Energiespeicher-Forschungszentrum in Spanien, betont den Einsatz „gut etablierter chemischer Verfahren“ und legt nahe, dass Sicherheit und Skalierbarkeit keine großen Hürden darstellen sollten.
Die genaue Verlängerung der Batterielebensdauer muss noch durch weitere Tests ermittelt werden, Wang ist jedoch optimistisch. „Es handelt sich um eine relativ einfache Änderung bestehender Batterien“, erklärt er und deutet damit einen realistischen Weg zur Umsetzung auf Verbraucherebene nach gründlichen Sicherheitsbewertungen an.
Diese chemische Anpassung stellt einen einfachen, aber möglicherweise transformativen Schritt hin zu einer langlebigeren und effizienteren Energiespeicherung dar und beseitigt eine wesentliche Einschränkung der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie.
