Der Akkumulator, der aus der Kälte kam

In der Winterkälte haben Autos oft Startprobleme. Auch Elektro­fahrzeuge haben dann zu kämpfen – die Lithium­ionen­batterie verliert bei eisigen Tempera­turen deutlich an Kapa­zität. Ein Team von chinesischen Wissen­schaftlern hat jetzt einen Lösungs­ansatz zur Verbesserung der kinetischen Tief­temperatur­eigen­schaften der Batterien vorge­stellt. Ihr Batterie­system kombiniert eine weniger kälte­empfind­liche Hart­kohlen­stoff-Anode mit einer lithium­reichen leistungs­starken Kathode. Der wichtige erste Lithi­ierungs­schritt der Anode ist integriert.

Ein neues Batterie­system kombiniert eine weniger kälte­empfindliche Hart­kohlenstoff-Anode (rechts) mit einer lithium­reichen leis­tungs­starken Kathode. Der wichtige erste Lithi­ierungs­schritt der Anode ist integriert. (Bild: Liu et al. / Wiley-VCH)

„Harter Kohlenstoff“, der kein oder nur wenig Graphit enthält, gilt in der Batterie­technologie als preis­günstiges und vielver­sprechendes Material für die Anode. Dieser Hart­kohlenstoff ist auch in der Kälte schnell bei der Einlagerung und Abgabe von Lithium­ionen. In wieder­aufladbaren Batterien wandern Lithium­ionen während der Lade-/Entladevorgänge von der negativen Elektrode, der Kathode, durch einen Elektro­lyten zur Anode und wieder zurück. Enthält die Anode, die zumeist aus Graphit besteht, bereits etwas Lithium, fällt die Volumen­änderung des Materials bei der Einla­gerung nicht mehr so drastisch aus. Das wirkt sich in schnellerer Kinetik und längerer Lebens­dauer aus. In Konden­satoren, die eine geringere Ladungs­dichte und Speicher­kapazität als Akku­mula­toren haben, hat sich Hartkohlenstoff als robustes Elektroden­material bereits etabliert. Seine Prä­lithi­ierung erfolgte jedoch bislang durch eine zusätzliche reine Lithiumelektrode, was kompliziert und teuer ist. Yonggang Wang und sein Team an der Fudan-Universität in Shanghai suchten daher nach Alternativen.

HRTEM-Aufnahme der beschich­teten Elek­trode, die Kohlen­stoff-Hülle ist mit den Strichen markiert (Bild: Liu et al. / Wiley-VCH)

Anstelle der zusätzlichen Lithium­elektrode entwickelten sie eine Elektrode aus einem lithium­reichen Vanadium­phosphat-Material, die sich sowohl für die anfängliche Lithi­ierung als auch für den normalen Batteriebetrieb eignet. Während des ersten Ladevorgangs gibt die Kathode einen Teil der Lithium­ionen an die Anode ab, wo sie einge­lagert werden. Die somit lithiumreduzierte Kathode und die prälithi­ierte Hartkohlenstoff-Anode (LixC) wurden dann zusammen zu einer betriebsfähigen Lithium­ionen­batterie-Vollzelle zusammen­gestellt. Diese hat die Energie­dichte von konventio­nellen Lithium­ionen­batterien und zeigt die Leistung und Lebens­dauer eines Super­konden­sators, erklärten die Wissen­schaftler. Vor allem aber erreichte die Kapazität auch bei minus vierzig Grad Celsius noch zwei Drittel der ursprüng­lichen Kapazität. Bei konven­tio­nellen Lithium­ionen­batterien sind es nur zehn Prozent. Diese guten Werte sind bedingt durch die inhärente Tief­temperatur­leistung der Vanadium­phosphat-Kathode und die schnelle Kinetik der prä­lithi­ierten Hart­kohlen­stoff-Anode, stellten die Autoren fest. In den anderen Merk­malen erfüllte die Batterie ebenfalls die elektro­chemischen Ansprüche, wie viele Tests gezeigt haben.

Eine Schwachstelle ist jedoch noch der Elek­trolyt, denn er verliert in extremer Kälte zu stark an Leit­fähig­keit. Dieser Punkt muss noch verbes­sert werden. Ist er gelöst, könnten künftig winterharte Elektro­motoren von dem inno­va­tiven Design profitieren. (Quelle: Wiley-VCH)

Referenz: Y. Liu et al.: A Simple Prelithiation Strategy To Build a High-Rate and Long-Life Lithium-Ion Battery with Improved Low-Temperature Performance, Angew. Chem. 129(52), 22. Dezember 2017; DOI: 10.1002/ange.201710555

Link: Yonggang Wang, Professor für physikalische Chemie, Chemistry Dept., Fudan University, Shanghai, China

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