Dank dieses neuen Additivs für Graphit könnten die Batterien viel länger halten.

Eine der großen Herausforderungen bei aktuellen Batterien besteht nicht nur darin, ihre Kapazität zu erhöhen, sondern auch sicherzustellen, dass sie den Belastungen durch viele Lade- und Entladezyklen sowie die Zeit standhalten. Eine Gruppe japanischer Forscher hat nun einen Weg gefunden, diesen Aspekt zu verbessern, indem sie ein neues Additiv einsetzt, das auf der Oberfläche des Graphits wirkt – eines der am häufigsten in Batterieelektroden verwendeten Materialien.

Das Team des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) hat ein Verbindung namens Imina von Pentafluorophenyl und Thiophen entwickelt, das als FPTI bekannt ist. Seine Funktion besteht darin, die Schutzschicht zu verbessern, die während der ersten Ladezyklen auf dem Graphit entsteht und für die Kontrolle des Alterungsprozesses der Batterie von entscheidender Bedeutung ist.

Das auffälligste Ergebnis tritt nach 1.000 Zyklen auf. Die Testzellen, die mit einer Konzentration von 4 Milligramm FPTI pro Milliliter behandelt wurden, konnten 95,6 % ihrer Kapazität beibehalten, während die Zellen ohne das Additiv bei 62,7 % blieben. Bei einer niedrigeren Konzentration von 2 Milligramm pro Milliliter lag der beibehaltene Kapazitätsanteil bei 89,4 %.

Der Schlüssel liegt in einem Bereich der Batterie, der normalerweise übersehen wird. Während der ersten Ladevorgänge bildet sich auf dem Graphit eine Schicht, die als feste Elektrolytinterface oder SEI bezeichnet wird. Diese Schicht ermöglicht die Bewegung der Lithiumionen, beschränkt aber gleichzeitig bestimmte chemische Reaktionen, die den Verschleiß der Zelle beschleunigen könnten.

Wenn diese Schicht an Stabilität verliert, steigt der innere Widerstand und ein Teil des aktiven Lithiums in der Batterie wird verbraucht. Das Ergebnis ist ein schrittweiser Verlust der Kapazität. Was die japanischen Forscher gesucht haben, ist genau das: eine von Anfang an stabilere Schutzschicht zu schaffen.

Ein Additiv, das eine widerstandsfähigere Schutzschicht erzeugt

FPTI ist so konzipiert, dass es in den ersten Betriebsphasen schneller reagiert als andere Elektrolytkomponenten. Dadurch trägt es dazu bei, eine stabile Schutzschicht auf dem Graphit zu bilden. Die von dem Team durchgeführte Analyse zeigte außerdem einen hohen Anteil an Lithiumfluorid in dieser Schicht, während weitere Bestandteile aus Schwefel sowie der Imin-Gruppe des Verbindungsstoffes ebenfalls an ihrer Entstehung beteiligt sind.

Der Effekt kann direkt an dem inneren Widerstand der Zelle gemessen werden. Bei der höchsten Konzentration an FPTI sank der Widerstand der Schutzschicht von 7,6 Ohm in der Referenzzelle auf nur noch 2,2 Ohm. Der mit dem Ladungstransfer verbundene Widerstand verringerte sich ebenfalls von 41,8 auf 19,8 Ohm, während sich die Bewegung der Lithiumionen verbesserte.

Doch erst bei dem Langzeittest zeigt sich der wichtigste Unterschied. Nach 1.000 Zyklen behielt die ohne FPTI versehene Zelle 62,7 % ihrer Referenzkapazität bei, während die mit 2 und 4 Milligramm pro Milliliter behandelten Zellen jeweils 89,4 % bzw. 95,6 % ihrer Kapazität beibehielten. Zudem zeigten die ohne das Additiv versehenen Zellen ab etwa 350 Zyklen einen besonders starken Kapazitätsverlust.

Die Forscher wollten anschließend prüfen, ob dasselbe Prinzip auf eine vollständige Batterie übertragen werden konnte, indem sie einen positiven Elektroden aus NMC811 und eine negative aus Graphit verwendeten. Dabei trat eine wichtige Einschränkung auf: Die direkte Zugabe von FPTI zum Elektrolyt der gesamten Batterie funktionierte nicht gut, da sie den Widerstand in der positiven Elektrode erhöhte und die Leistung beeinträchtigte.

Die Lösung bestand darin, das Verbindungsmittel ausschließlich zur vorherigen Behandlung des Graphitelektroden zu verwenden. Zunächst wurde mithilfe von FPTI eine verbesserte Schutzschicht auf dem Graphit erzeugt, anschließend wurde die vollständige Batterie unter Verwendung eines herkömmlichen Elektrolyten montiert, wobei das Additiv nicht in der gesamten Zelle verblieb.

Auch das Ergebnis war bemerkenswert. Die vollständige Batterie, die Graphit mit 4 Milligramm pro Milliliter FPTI verwendet hatte, erreichte eine Energiedichte von etwa 233 Wh/kg, im Vergleich zu rund 192 Wh/kg bei einer Behandlung mit 2 Milligramm pro Milliliter sowie etwa 130 Wh/kg in der Referenzkonfiguration.

Die Forschung zeigt somit, dass es nicht immer notwendig ist, Graphit durch ein völlig neues Material zu ersetzen, um die Haltbarkeit einer Batterie zu verbessern. In diesem Fall besteht das Ziel darin, besser kontrollieren zu können, was an ihrer Oberfläche geschieht, und zu verhindern, dass sekundäre Reaktionen den Elektroden mit jedem Zyklus Schaden zufügen.

Trotzdem bleibt noch ein langer Weg, bevor man von deren Einsatz in Elektrofahrzeugen ausgehen kann. Das Ergebnis von 95,6 % wurde hauptsächlich in Testzellen aus Graphit und Lithium erzielt, während die Prüfung mit einer vollständigen Batterie durch eine vorherige Behandlung der Negativelektrode durchgeführt wurde. Die Forscher selbst weisen darauf hin, dass Tests mit größeren Zellen unter Bedingungen erforderlich sind, die den kommerziellen Einsatz näher kommen.

Die Bedeutung der Forschung liegt daher eher im von ihr eröffneten Weg als in einer unmittelbaren Anwendung. Wenn diese Strategie in der Industrie umgesetzt werden kann, könnte sie es ermöglichen, die Lebensdauer von Batterien auf der Grundlage bereits bekannter Materialien zu verlängern, ohne deren Zusammensetzung vollständig ändern zu müssen. Das könnte sowohl für Elektroautos als auch für andere Speichersysteme von Interesse sein, die in der Lage sein müssen, Hunderte oder Tausende von Zyklen auszuhalten, ohne zu viel Kapazität zu verlieren.