Hightech-Schleim löst große Probleme von Akkus
Um Lithium-Ionen-Batterien sicherer zu machen und leichter recyceln zu können, haben Forscher des Institute of Science Tokyo einen neuen Elektrolyten entwickelt. Ein Material namens 3D-SLISE (3D-Slime Interface Quasi-Solid Electrolyte) erlaubt die Herstellung von schnell ladenden 2,35-V-Batterien ohne entflammbare Lösungsmittel.
Dadurch können die Batterien bei normalen Umgebungsbedingungen hergestellt werden, ohne spezielle Trockenräume und Hochtemperaturverarbeitung. "Unser Ziel war es, ein Batteriesystem zu entwickeln, das nicht nur leistungsstark, sondern auch sicher und einfach zu produzieren ist", sagt Forscher Yosuke Shiratori gegenüber TechXplore. "3D-SLISE bietet einen nachhaltigen, energieeffizienten Ansatz".
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Schleimartige Konsistenz
3D-SLISE besteht dabei aus amorphem Lithiumtetraborat (a-Li2B4O7), einem Lithiumsalz (LiFSI), Carboxymethylcellulose und Wasser. Die Mischung hat eine schleimartige Konsistenz, die eine 3D-Ionenleitung ermöglicht. Das heißt, dass sich Lithiumionen in alle Richtungen innerhalb des Materials bewegen können.
Was ist ein Elektrolyt?
Ein Elektrolyt ist ein zentraler Bestandteil einer Batterie. In dem Medium (es kann sowohl fest als auch flüssig sein) können sich die Ionen zwischen den positiven und negativen Elektroden bewegen, wenn die Batterie geladen oder entladen wird.
Die Forscher haben 2 verschiedene Arten von 3D-SLICE entwickelt, die in verschiedenen Anwendungsfällen zum Einsatz kommen sollen. Im Typ E wird Elektrodenmaterial beigemischt, darunter Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) für die Kathode und Lithiumtitanat (Li4Ti5O12) für die Anode. Der Typ S ohne Zusätze wird hingegen als eine Art quasi-feste Elektrolytschicht zwischen den Elektroden verwendet.
Der Elektrolyt (oben in Weiß) und der Elektrodenschleim (unten in Schwarz).
© Shiratori et al.
Die Mischungen können einfach auf eine Folie aufgebracht und bei Raumtemperatur getrocknet werden. Sie sollen über mehrere Hundert Lade- und Entladezyklen eine Kapazität von mindestens 80 Prozent behalten. Nach 400 Zyklen lag die Batteriekapazität beispielsweise immer noch bei 92 Prozent. Die Batterien wurden bei Tests mit einer Laderate von 1C geladen, was bedeutet, dass sie in etwa 60 Minuten aufgeladen werden konnten. Die Entladerate lag bei 3C, dauerte also 20 Minuten. Die Batterie wurde dabei bei Raumtemperatur getestet. Wie sie sich bei niedrigeren Temperaturen verhält, ist nicht bekannt.
Einfaches Recycling
3D-SLISE bietet zudem einen weiteren Vorteil: Sie können recht einfach recycelt werden. Da der Elektrolyt auf Wasserbasis ist, können die Elektroden einfach von gebrauchten Batterien abgezogen und in Wasser eingeweicht werden. "Mit dieser Technologie ist es möglich, wertvolle Elemente wie Kobalt direkt zurückzugewinnen, was zu einer nachhaltigeren und zuverlässigeren Versorgung mit wichtigen Batteriematerialien beiträgt", so die Forscher.
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Eine Herausforderung muss allerdings noch überwunden werden, und die ist nicht gerade klein. Die Energiedichte der Batterien liegt nämlich nur bei etwa 50 Wattstunden pro Kilogramm. Die Forscher gehen allerdings davon aus, dass die durch die Verwendung von besseren Materialien auf 100 Wattstunden pro Kilogramm ansteigen könnte. Das ist allerdings immer noch wenig - herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien liegen mittlerweile bei über 300 Wh/kg.
In E-Autos dürften die 3D-SLISE-Batterien also eher nicht zum Einsatz kommen. Mit anderen Stromspeichern wie Blei-Akkus (40 Wh/kg) oder Nickel-Metallhydrid-Akkus (bis zu 80 Wh/kg) könnte das Material in Zukunft allerdings sehr wohl konkurrieren.