Dank Silber erreicht eine Batterie 467 Wh/kg – das sind die Folgen für Elektroautos.

Es ist eine der wichtigsten Herausforderungen für Entwickler, eine Batterie zu finden, die mehr Energie speichern kann, ohne an Gewicht zuzunehmen. Doch es nützt wenig, eine beeindruckende Kapazität zu erreichen, wenn diese bei jeder Aufladung schnell verloren geht. Ein Team der Hongkong University of Science and Technology hat einen Vorschlag vorgelegt, der beide Probleme mit einem auf Silber basierenden Additiv löst.

Die von Professor Shao Minhua geleitete Forschungsarbeit erreichte eine Energiedichte von 467 Wh/kg in einer Taschenzellenkonstruktion. Eine Knopfzelle hingegen behielt nach 200 Ladezyklen 90 Prozent ihrer Kapazität bei.

Wie Silber batteriefreien Akkus hilft

Der Vorschlag basiert auf einer sogenannten „ohne Anodenstart“ genannten Architektur. Anstelle eines aktiven Materials im negativen Elektrodenkörper von Beginn an wird ein Kupferstromleiter verwendet, auf den während des Ladevorgangs Lithium abgeschieden wird. Durch das Verzichten auf dieses Ausgangsmaterial lässt sich das Gewicht reduzieren und es wird die Möglichkeit geschaffen, die Herstellung zu vereinfachen.

Das Problem tritt auf, wenn Lithium zu sedimentieren beginnt. Die Oberfläche des Kupfers begünstigt keine gleichmäßige Verteilung, wodurch Dendriten entstehen können – Strukturen, die ähnlich wie Nadeln sind und die Funktionsfähigkeit der Zelle beeinträchtigen sowie interne Kurzschlüsse verursachen können. Ebenso entscheidend ist die Stabilität der Schutzschicht, die sich auf der Oberfläche des Elektroden bildet und als SEI bekannt ist.

Um dieses Verhalten zu verbessern, haben Forscher einem Elektrolyten ein multifunktionales Additiv namens AMI hinzugefügt, das Silberionen enthält. Seine Funktion geht über das Hinzufügen eines Stoffes zur Mischung hinaus: Es löst nach dem Aufbau der Zelle eine Reihe von Prozessen aus, um das Kupfer zu verändern, die Lithium-Ablagerung zu regulieren und den Schutz der Elektrode zu stärken.

Silber ermöglicht es, dass Lithium gleichmäßiger abgelagert wird. Gleichzeitig trägt das Additiv dazu bei, eine Schutzschicht zu bilden, die innen reich an organischen Bestandteilen und außen reich an anorganischen Bestandteilen ist. Ziel ist es, den Ionenstrom zu ermöglichen und während wiederholter Lade- und Entladevorgänge eine stabile Barriere aufrechtzuerhalten.

Dazu kommt eine Polymerisierungsreaktion im Elektrolyten, die ein quasifestes Gel erzeugt. Dieses hilft dabei, den Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyten aufrechtzuerhalten – einer der kritischen Punkte dieser Batterien. Es handelt sich somit nicht um eine vollständig feste-Elektrolytbatterie, sondern um eine quasifeste Konfiguration, die darauf abzielt, die Stabilität der Interfaces zu verbessern.

Was die Tests zeigen und was noch ungelöst ist

Bei einem Elektroauto könnte eine höhere Energie pro Kilogramm zu mehr Reichweite bei ähnlichem Gewicht oder zu einer leichteren Batterie bei gleichbleibender Kapazität führen. Doch diese Zahl bezieht sich auf eine einzelne Zelle: Ein komplettes Batteriepaket muss außerdem Strukturen, Verbindungen, Kühlsysteme sowie Steuerungssysteme enthalten, deren Gewicht ebenfalls berücksichtigt werden muss.

Der Reiz dieser Arbeit liegt darin, mehrere Probleme mit einem einzigen Prozess zu lösen. Nun muss geprüft werden, ob dieser Vorteil bei größerer Größe der Zellen und höheren Anforderungen an die Nutzung erhalten bleibt sowie wie teuer seine Umsetzung in der Produktion ist. Silber hat im Labor ein interessantes Ergebnis ergeben; die nächste Prüfung besteht darin, dieses Ergebnis außerhalb des Labors aufrechtzuerhalten.

Quelle | Nature