PSI steigert Effizienz von Lithium-Ionen-Akkus mit neuartiger Schutzschicht

Bei Trifluormethan handelt es sich um ein Gas, das bei der Herstellung von Kunststoffen wie PTFE, PVDF und Schaumstoff als Nebenprodukt entsteht und die chemische Summenformel CHF₃ trägt. Im Labor leiteten Projektleiter Mario El Kazzi vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften am PSI und sein Team bei 300 Grad Celsius eine Reaktion zwischen dem Trifluormethan und der dünnen Schicht aus Lithiumkarbonat ein, welche die Oberfläche der Kathoden bedeckt.

Dabei wandelt sich das Lithium an der Grenzschicht in Lithiumfluorid (LiF) um. Die Lithium-Atome des Kathodenmaterials bleiben bei diesem Verfahren als Ionen erhalten, also als positiv geladene Teilchen. Diese Lithium-Ionen müssen beim Laden und Entladen zwischen der Kathode und der Anode, dem Minuspol, weiter hin- und herwandern können, damit die Akkukapazität im späteren Betrieb nicht beeinträchtigt ist, erläutert das PSI.

In einem weiteren Schritt prüfte das PSI-Team die Wirksamkeit der Schutzschicht, indem es elektrochemische Tests bei hohen Betriebsspannungen durchführte. Das Ergebnis: Die Schutzschicht blieb auch bei hohen Spannungen stabil. Sie schützt das Kathodenmaterial so gut, dass Betriebsspannungen von 4,5 und auch 4,8 Volt möglich sind.

Im Vergleich zu Batterien mit ungeschützten Kathoden schnitten die beschichteten bei allen wichtigen Parametern deutlich besser ab. So war die Impedanz, also der Widerstand für die Lithium-Ionen an der Grenzfläche der Kathode, nach einhundert Auf- und Entladedurchgängen um rund 30 Prozent niedriger als bei den Batterien mit unbehandelter Kathode. „Ein eindeutiges Zeichen dafür, dass unsere Schutzschicht den Anstieg des Widerstandes abschwächt, der durch die sonst stattfindenden Grenzflächenreaktionen auftritt“, erläutert Mario El Kazzi.

Ebenfalls wichtig: Die neuartige Schutzschicht fördert den Erhalt der Batteriekapazität. So lag der Kapazitätserhalt bei einem Akku mit beschichteter Kathode bei über 94 Prozent nach 100 Lade- und Entladedurchgängen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit, während der unbehandelte Akku auf nur 80 Prozent kam.

Das neue Beschichtungsverfahren soll somit ermöglichen, die Energiedichte von verschiedenen Batterietypen zu steigern: „Wir können davon ausgehen, dass unsere Lithiumflorid-Schutzschicht universell und bei den meisten Kathodenmaterialien anwendbar ist“, betont El Kazzi. „Sie funktioniert zum Beispiel auch bei Nickel- und Lithium-reichen Hochspannungsbatterien.“

Und ganz nebenbei soll das neue Verfahren auch noch zum Klimaschutz beitragen. Denn Trifluormethan ist ein hochwirksames Treibhausgas und mehr als 10.000 Mal klimaschädlicher als Kohlendioxid, weswegen es keinesfalls in die Atmosphäre gelangen sollte. Für El Kazzi stellt die Umwandlung in eine einheitliche dünne LiF-Schutzschicht auf der Oberfläche von Kathodenmaterialien eine effiziente Lösung dar, das Gas zu monetarisieren, indem es Teil einer Kreislaufwirtschaft wird. Mit dem neuen Beschichtungsverfahren lässt sich Trifluormethan recyceln und als Schutzschicht in Hochspannungskathoden langfristig binden.

psi.ch