Ein Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersucht die Zerfallssmechanismen („Degradation“) in Kathodenmaterial für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse versprechen weitere deutliche Steigerungen der Leistungsfähigkeit.
Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch die von vielen als ungenügend empfundenen Reichweiten aktueller Modelle gebremst. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit einer größeren Ladekapazität. „Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, sagt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS).
„Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektrochemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu 30 Prozent erhöhen“, stellt Ehrenberg in Aussicht.
Die Hochenergie-Variante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ein spezifisches Kathodenmaterial: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, kommen nun manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss zum Einsatz. Die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial erhöht sich dadurch deutlich, allerdings gibt es beim Einsatz dieser Materialien bislang noch ein Problem: Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen – der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie – degradiert das Hochenergie-Kathodenmaterial. Das Schichtoxid wandelt sich nach einiger Zeit in eine Kristallstruktur „mit sehr ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften“ um, erklären die KIT-Forscher. Als unerwünschte Folge sinke die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an, was die Entwicklung von brauchbaren Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus bislang verhinderte.
Neue Erkenntnisse über Degradation
Wie genau der Degradationsprozess abläuft, war noch nicht vollständig verstanden. Die Forscher des KIT und kooperierender Einrichtungen haben den grundlegenden Mechanismus nun in der Zeitschrift Nature Communications beschrieben. „Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft“, so Weibo Hua vom IAM-ESS, einer der Hauptautoren der Studie. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“
Neben diesen Ergebnissen zeige die Studie auch, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess stammen müssen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und die beteiligten Wissenschaftler anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden.
Auf dem Weg zu Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos stellen die Forschungsergebnisse laut dem KIT einen wichtigen Schritt dar. Sie machten es möglich, nun neue Ansätze zur Minimierung der Degradation in den Schichtoxiden zu testen und in die eigentliche Entwicklungsarbeit zu diesem neuen Batterietyp einzusteigen.
Andy meint
Forschung ist ein harter und steiniger Weg, der viel Geduld, Beharrlichkeit und manchmal auch ein bisschen Glück verlangt. Natürlich wird auch oft zur Aquisition von Forschungsgeldern etwas viel gegackert, aber das gehört insbesondere in Zeiten des Internets dazu! Freuen wir uns doch, dass zu dem Thema sogar deutsche Forschungseinrichtungen evtl. was substanzielles beitragen können. Man muss zuerst die Grundlagen verstehen, bevor man daraus Schlüsse für eine Verbesserung ziehen kann.
Und wer weiß, vielleicht sind solche Entwicklungen ja mal die Grundlage für eine führende deutsche Akkufertigung…
nilsbär meint
Ein bisschen Glück… Evtl… Man muss zuerst die Grundlagen verstehen … Vielleicht …
Du hast den Stand der deutschen Batterieforschung (leider) treffend zusammengefasst. Wir ‚forschen‘ in aller Ruhe, während andere längst im großen Maßstab produzieren und ihre Kapazitäten laufend erweitern.
Irgendwann wird dieser Bereich hoffentlich auch mal gründlich untersucht werden. Und was wird man dann finden? Ein versagendes Bildungssystem? Skrupellose ‚Forscher‘? Subventionsbetrug? Kriminelle Netzwerke aus Förderungsgebern und Förderungsempfängern?
Andy meint
Deutschland kann nicht davon leben, das zu machen, was andere gleich gut und billiger können, sondern davon, was wir besser können und wofür wir einen höheren Preis verlangen können. Und dazu gehört nun mal auch die Erforschung der im vorliegenden Bericht genannten Degradation. Da sind andere nicht weiter und haben erst recht keine Lösung. Und wenn man dann daraus einen Akku mit 30% besserer Leistung ableiten und produzieren kann, ja dann hat sich das doch gelohnt! Bitte bei Forschung nicht immer nur an das Schlechteste denken. Das könnte sich auch ein KIT auf Dauer nicht leisten…
Roland meint
Karlsruhe ist ein exzellenter und breit aufgestellter Forschungsstandort.
Dass etwas passiert ist genauso zu begrüßen wie die Ankündigung von BASF/Schwarzheide.
Nur: Die Kalifornier schlafen nicht und sind hellwach; schauen wir mal, was Tesla/Maxwell so alles in der Pipeline haben.
EV1 meint
Elon Musk hat ja bereits einige interessante Neuigkeiten für den Batterie and Drivetrain Day in 2020 angekündigt.
alupo meint
Aber leider gab es den Drivetrain Day nicht in 2019 :-(.
Aber er sprach in einem Interview (bei youtube) darüber, dass die 300 Wh/kg keine Hirngespinste sind, sondern wohl bald Realität werden sollen (Maxwell???). Da die Panasonic/Teslazellen aktuell ca. 250 Wh/kg haben, wären das auch schon +20%.
Es wäre toll, wenn die +30% des KITs auf diese zukünftige Teslazelle on top kommen würde (man darf doch noch träumen?). Mit dann 420 Wh/kg sind wir laut Aussagen von Fachleuten bei einem Wert, mit dem sich innercontinentale (Vorsicht, ohne das „t“!!!) Passagierflugzeuge auf Elektrobasis bauen ließen.
Hoffentlich wird beides bald Realität. Zumindest Elon Musk hat bei technischen Ankündigungen meist geliefert und das wird sowohl beim AP als auch bein den 300 Wh/kg wieder klappen.
Carsten Renken meint
Ich hab mal gehört, daß 500 Wh/kg lt. EM in naher Zukunft möglich sein.
Egon meier meint
ich hab es bald satt, diese ewigen Super-duper-neuigkeiten zum Thema
xyz forscht – abc stellt prototyp vor – def löst dies-und-das akkuproblem – ghi stellt neuen Superakku vor – jkl plant vorstellung ende 2020 – mno .. meldet sich nicht mehr ..
immer steht dann irgendwo .. man benötigt noch xx jahre zur Serienreife/klappt nur bei -20 Grad im Schatten/brauch noch 5 Milliarden/Investoren könnten sich freuen ..
lasst doch mal die warme Luft und berichtet über Fakten .. Serienreife .. Praxistauglichkeit ..
Wännä meint
Wenn Sie Hintergründe und Entwicklungsprozesse nicht interessieren, na, was bleibt dann noch?
Richtig! Auto-Blöd lesen! Viel Spaß!
Peter W meint
So ist es. Wer kein Interesse an der Entwicklung hat, soll halt RTL schauen und Bildzeitung selen.
nilsbär meint
+1
Grundsätzlich hat Forschung und die Bekanntgabe der Ergebnisse schon ihre Berechtigung. Aber leider stellt sich immer wieder heraus, dass speziell auf dem Gebiet der Wunderbatterien übertrieben, gefaked und gelogen wird, dass sich die Balken biegen.
alupo meint
Leider auch richtig.
Von der mittels Siliziumkugeln auf der Anode um bis zu 4,2 fach höherer Energiedichte im Vergleich zu dem heute üblichen Graphit aus der Forschung der Universität Kiel habe ich auch nichts mehr gehört.
Ich fände es toll, wenn ecomento alte Berichte gelegentlich durchschauen könnte und zumindest bei deutschen Quellen einmal nach 2 Jahren nachhaken könnte wie denn der Stand der Dinge ist.
Landmark meint
Sieh es doch mal so, in der Technik steckt noch sehr viel Potenzial zur Steigerung der Leistung und der damit verbundenen Reduzierung von Rohstoffen.
Ich bin auch immer sehr skeptisch bei solchen Meldungen, aber es zeigt auch was möglich sein kann. Forschung ist super wichtig und es ist sehr gut das sie hier in DE ist.
Ganz anders bei den „hocheffizienten Verbrennungsmotoren“ da ist noch nicht mal mehr heiße Luft drin…
GE meint
Die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Degradation haben für eine Veröffentlichung in einem Fachjournal gereicht. Das sind knallharte Fakten der Grundlagenforschung und sollten nicht mit Produktentwicklung verwechselt werden. Die Erkenntnisse der Grundlageforschung stehen dann im wesentlichen allen zur Verfügung.
Andi meint
Egon meier hat ja nicht gesagt dass er kein Interesse daran hat.
Aber gerade die Forschung muss auch „Werbung“ machen, da sie ja auf Staats bzw. Fördergelder angewiesen ist.
Daher werden Ergebnisse gerne auch der Allgemeinheit zugänglich gemacht.