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Impulse 15 -16 2024 Elektronik 9 Neuartiges Elektrolyt für Lithium-Metall-Batterien Mehr Energie und weniger Umweltbelastung Lithium-Metall-Batterien können doppelt so viel Energie speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ETH-Forschende haben einen neuen Ansatz für das Elektrolyt dieser Batterien gefunden das mit erheblich weniger umweltschädlichem Fluor auskommt und so den ökologischen Fußabdruck der Batterien verkleinert Unter den vielversprechenden Hochleistungsbatterien der nächsten Generation stehen sie ganz vorne Lithium-Metall-Batterien Sie können wenigstens doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien Das bedeutet Ein Elektroauto fährt mit einer Ladung doppelt so weit oder das Smartphone muss weniger häufig aufladen werden Derzeit haben Lithium-Metall-Batterien allerdings noch einen entscheidenden Nachteil Der Elektrolytflüssigkeit müssen große Mengen an fluorhaltigen Lösungsmitteln und Salze zugesetzt werden Das geht auf Kosten des ökologischen Fußabdrucks Ohne das Fluor wären Lithium-Metall-Batterien instabil sie würden nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionieren Es kann zu Kurzschlüssen kommen oder die Batterie überhitzt und entzündet sich Schutzschicht für Effizienz und Sicherheit Die fluorierten Verbindungen aus dem Elektrolyt helfen bei der Bildung einer Schutzschicht um das Lithium-Metall am Minuspol der Batterie »Wir können diese Schutzschicht mit Zahnschmelz vergleichen Sie schützt das Lithium-Metall vor der ständigen Reaktion mit den Elektrolytbestandteilen« erklärt Maria Lu katskaya ETH-Professorin für Elektrochemische Energiesysteme Ohne diese Schutzschicht würde sich der Elektrolyt während des Ladevorgangs schnell entleeren die Zelle würde versagen und das Fehlen einer stabilen Schutzschicht würde auch dazu führen dass sich während des Ladevorgangs Lithium-Metall-Spitzen – Dendriten – anstelle einer gleichmäßigen flachen Schicht bilden Erreichen die Dendriten den Pluspol kommt es zu einem Kurzschluss und die Batterie könnte sich so stark erhitzen dass sie sich entzündet Die Kontrolle der Eigenschaften der Schutzschicht ist daher entscheidend für die Leistung einer Batterie Eine stabile Schutzschicht erhöht die Effizienz die Sicherheit und die Lebensdauer der Batterie Den Fluoranteil erfolgreich minimieren Maria Lukatskaya und ihr Team haben nun eine neue Methode entwickelt um die Fluormenge in den Lithium-Metall-Batterien drastisch zu reduzieren Die von den Forschern neu entwickelte Methode nutzt die elektrostatische Anziehung um die gewünschte Reaktion zu erreichen Die Wissenschaftler haben ein Konzept entwickelt bei dem elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle als Vehikel dienen um das Fluor an die Schutzschicht zu bringen Auf diese Weise benötigen sie bezogen auf die Elektrolytflüssigkeit nur 0 1 Gewichtsprozent Fluor was mindestens 20-mal weniger ist als in früheren Studien Eine der größten Herausforderungen war es das richtige Molekül zu finden an das Fluor angehängt werden kann und das sich unter den richtigen Bedingungen auch wieder zersetzt wenn es das Lithium-Metall erreicht hat Ein großer Vorteil an der neuen Methode ist dass sie sich nahtlos in den bestehenden Produk tionsprozess integrieren lässt ohne Zusatzkosten für eine Anpassung der Produktionseinrichtung zu generieren Im Labor hatten die Batterien die Größe einer Münze Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Skalierbarkeit der Methode testen und zu Pouch-Zellen übergehen wie sie in Smartphones verwendet werden kv