Indiumschicht für bessere Akkus

Neuartige mit Indium beschichtete Lithium-Elektroden könnten Ausgangs­punkt für leistungs­fähigere, lang­lebigere Akkus sein. Die Beschich­tungen verhindern uner­wünschte Neben­reaktionen der Elektrode mit dem Elektro­lyten, sorgen für eine gleich­mäßigere Abscheidung von Lithium während der Aufladung und erhöhen die Einlagerung in der Lithium­-Anode durch Legierungs­reaktionen zwischen Lithium und Indium, wie amerikanische Wissen­schaftler berichten. Erfolgs­geheimnis ist die gute Diffusion von Lithium­ionen entlang der Grenz­schicht.

Legierungsreaktionen zwischen Lithium und Indium (o.) verhindern das Wachstum störender Dendriten und steigern die Stabilität von Lithium-Ionen-Akkus. (Bild: S. Choudhury et al. / Wiley-VCH)

Heutige Lithium­-Ionen-Akkus enthalten meist Anoden aus Graphit, die Lithium ein­lagern, wenn der Akku geladen wird. Eine interes­sante Alter­native könnten Akkus mit metal­lischen Anoden, etwa Lithium-Metall, sein, versprechen sie doch eine deutlich höhere Speicher­kapazität. Eine ent­scheidende Hürde für einen erfolg­reichen Einsatz ist bislang die ungleich­mäßige Abscheidung des Metalls während des Lade­vorgangs, die zur Bildung von Veräs­telungen führt. Diese Dendriten können nach längerem Gebrauch des Akkus so stark wachsen, dass sie den Akku kurz­schließen.

Außerdem kommt es zu uner­wünschten Neben­reaktionen zwischen den reaktiven Metall­elektroden und dem Elektro­lyten, was die Lebens­dauer des Akkus deutlich verringert. Die Bildung einer stabilen passi­vierenden Schicht, die einen weiteren Kontakt unter­bindet, wäre eine ideale Lösung – klappt jedoch nicht, denn während der ständigen Lade-Entlade-Zyklen expan­diert und kontra­hiert die Elektrode, die Schicht wird zerstört und das Metall dem Elektro­lyten für weitere Reak­tionen ausgesetzt. Ein anderer Ansatz sind künst­liche Beschich­tungen oder physi­kalische Barrieren.

Eine neuartigen Alter­native stellen die Forscher um Ravi­shankar Sunda­raraman vom Rensse­laer Poly­technic Insti­tute und Lynden Archer von der Cornell Uni­versity jetzt vor: Mithilfe einer einfachen strom­losen Ionen­austausch-Chemie erzeugen sie Indium-Beschich­tungen auf Lithium. Eintauchen in die Lösung eines speziellen Indium-Salzes genügt. Ein Teil des Indiums scheidet sich dann als Metall an der Ober­fläche der Lithium-Elektrode ab und die Konzen­tration der Lithium-Ionen im Elektro­lyten steigt entsprechend an. Die Indium­schicht ist gleich­mäßig und im Betrieb selbstheilend, wenn geringe Mengen des Indium­salzes dem Elektrolyten beigegeben werden. Während der Lade-Entlade-Zyklen bleibt sie intakt, ihre chemische Zusammen­setzung bleibt unver­ändert und Neben­reaktionen werden vermieden. Auch Dendriten tauchen nicht mehr auf, die Oberfläche bleibt glatt und kompakt.

Anhand von Modell­rechnungen konnten die Forscher zeigen, warum ihre Methode so erfolgreich funk­tioniert: Lithium­Ionen sind nur sehr locker an die Indium­beschichtung gebunden. Sie bilden eine Legierung mit dem Indium, dadurch können sie sich sehr rasch entlang der Schicht bewegen, bevor sie diese durch­queren und sich auf der darunter­liegenden Lithium­-Elektrode abscheiden. In kompletten Zellen mit kommer­ziellen Kathoden arbeiteten die neuar­tigen Indium-Lithium-Hybrid­elektroden über mehr als 250 Zyklen stabil bei einem etwa neunzigprozen­tigen Erhalt der Kapazität. (Quelle: Angew. Chem., Wiley-VCH)

Referenz: S. Choudhury et al.: Electroless Formation of Hybrid Lithium Anodes for Fast Interfacial Ion Transport, Ang. Ch., online 11. September 2017; DOI: 10.1002/ange.201707754

Link: School of Chemical and Biomolecular Engineering, Cornell University, Ithaca

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