KIT-Forscher steigern Energiedichte von Lithium-Speichermaterialien

Ein interdisziplinäres Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) treibt die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien voran: Die Wissenschaftler haben ein neues Kathodenmaterial, basierend auf einem neuen Speicherprinzip entwickelt, das deutlich höhere Energiespeicherdichten als bisher bekannte Systeme bietet.

In der Zeitschrift „Advanced Energy Materials“ stellt die Forschungsgruppe das neue Materialsystem vor.
Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume (so genannte Zwischengitterplätze) – einer Wirtsstruktur, welche in der Regel aus Metalloxiden besteht. Diese Methode funktioniert gut, allerdings sind die damit erzielbaren Speicherdichten begrenzt, da das Lithium nicht besonders dicht in der Struktur gepackt werden kann. Auch ist die Einlagerung von mehr als einem Lithium-Ion (Li) pro Formeleinheit in der Regel nicht möglich, da die Struktur dann nicht mehr stabil ist und zerfällt. Wünschenswert wäre es deshalb, Lithium deutlich dichter in eine stabile Struktur zu packen und die bisherigen Obergrenzen zu überwinden.

Neues Speicherprinzip und Material
Eine Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Ruiyong Chen hat nun am KIT ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt, welches die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li pro Formeleinheit erlaubt. Mit einem Material der Zusammensetzung Li2VO2F wurden Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g, bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen. Durch die vergleichsweise hohe Dichte des Materials ergibt das eine Speicherkapazität von bis zu 4.600 Wh/L, bezogen auf das Aktivmaterial.
Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien wird in dem neuen System das Lithium nicht mehr auf Zwischengitterplätzen, sondern direkt auf den Gitterplätzen einer kubisch dichtesten Packungsstruktur gespeichert, wodurch die deutlich höheren Packungsdichten erreicht werden.
Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen sehr mobil in dieser Struktur und sie können leicht in das Gitter ein- und wieder ausgebaut werden. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt überraschenderweise stabil bleibt – ein Novum bei solchen Speichermaterialien. Die Struktur besitzt eine hohe Defektmobilität, sodass sich das Gitter selbst stabilisieren kann.
„Die hohe Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität, verbunden mit einer sehr kleinen Volumenänderung von nur 3 % ist das eigentlich Ungewöhnliche an diesem neuen System. Das Speicherprinzip scheint zudem auf andere Zusammensetzungen übertragbar zu sein. Mit anderen Verbindungen ähnlicher Struktur messen wir derzeit sogar noch höhere Energiedichten als mit dem auf Vanadium basierenden System“, berichtet Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner.