Forscher arbeiten an Kälte-unempfindlichen Lithium-Titan-Phosphat-Akkus
Zwar können die Kälte-Probleme aktueller Lithium-Ionen-Zellchemien teilweise behoben werden, etwa mit zusätzlich verbauten Akku-Heizungen, verbesserten Elektrolyten oder Elektrodenbeschichtungen. Aber das erhöht die Komplexität, meist auch die Kosten und kann die Leistung verringern, wie es in einer Mitteilung des Informationsdienst Wissenschaft heißt.
Ein Team von der Donghua University und der Fudan University in Shanghai sowie der Inner Mongolia University in Hohhot haben für ihre Arbeiten einen anderen Ansatz gewählt: Anstatt die Symptome des „Kälte-Problems“ mit Maßnahmen wie einer Akku-Heizung zu behandeln, wollen sie die Ursache lösen. Denn der verringerten Leistungsfähigkeit bei Kälte liegt elektrochemisch gesehen die verlangsamte Diffusion der Lithium-Ionen innerhalb des Elektrodenmaterials zugrunde.
Wie aus einem in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Fachartikel hervorgeht, haben sie dabei Materialien mit negativer Wärmeausdehnung als Elektrodenmaterial untersucht. Die meisten Materialien dehnen sich mit steigender Temperatur aus und ziehen sich bei Kälte zusammen. Solche Stoffe mit negativer Wärmeausdehnung (negative-thermal-expansion, NTE) machen es genau andersherum, sie dehnen sich bei Kälte aus.
Zu solchen Materialien gehört auch Lithium-Titan-Phosphat (LTP) mit der Formel LiTi2(PO4)3. Im Labor konnten die Forscher dabei Eigenschaften nachweisen, die LTP gute Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen verleiht. Die die spezielle Kristallstruktur ermöglicht nicht nur die Einlagerung von Lithium-Ionen, sondern dehnt sich auch beim Abkühlen entlang einer der Kristallachsen aus.
„Durch spektrometrische und elektronenmikroskopische Analysen sowie Computerberechnungen stellte das Team fest, dass sich bei niedrigen Temperaturen die Schwingungsmodi der Atome verändern. So treten spezielle Querschwingungen bestimmter Sauerstoffatome verstärkt auf. Dadurch vergrößern sich deren Abstände zueinander, die Hohlräume des Gitters werden erweitert und so Einlagerung und Transport von Lithium-Ionen erleichtert“, heißt es in der Mitteilung.
Für die Tests wurde das LTP mit Kohlenstoff beschichtet, womit sich sogenanntes C-LTP ergibt. Konkret konnten bei -10 Grad Celsius noch 84 Prozent der Diffusionsgeschwindigkeit des Werts bei 25 Grad nachgewiesen werden. Und da die offene Kristallstruktur von C-LTP bei niedrigen Temperaturen soll zu einer geringeren Volumenausdehnung der Zelle beim Be- und Entladen sorgen – auch bei niedrigen Temperaturen. Daher ist in der Studie von einer besseren Zyklenstabilität von C-LTP bei -10 Grad die Rede (96,8 % Kapazitätserhalt über 1000 Zyklen bei 2 C).
Zwar haben die aktuellen Forschungsarbeiten Materialien mit negativer Wärmeausdehnung als einen vielversprechenden Ansatz als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien für kalte Umgebungen identifiziert. Doch noch ist es genau das: Ein vielversprechender Ansatz für weitere Forschung. Und noch kein Material, das auf absehbare Zeit in Elektroautos die Akku-Heizung ersetzen wird.
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