Kernspinresonanz soll Lithium-Metall-Akkus zum Durchbruch verhelfen

Auf der Suche nach den Akkus der Zukunft liegen die Hoffnungen unter anderem auf Lithium-Metall-Batterien. Sie versprechen eine deutlich höhere Kapazität als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. 

Lithium-Metall-Akkus seien in der Herstellung günstiger. Gleichzeitig könnten sie die Reichweite von Elektroautos bei gleichbleibender Größe des Akkus von 400 Kilometer auf ungefähr 600 Kilometer erhöhen, heißt es in einer Aussendung der Columbia University in New York.

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Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien

Das Problem: Die Kommerzialisierung von solchen Batterien liegt noch in weiter Ferne. Beispielsweise ist man noch auf der Suche nach passenden Elektrolyten und der optimalen Oberflächenstruktur der Anode.

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Die Hürden bei Lithium-Metall-Akkus

Eine Schwierigkeit stellt unter anderem die so genannte Passivierungsschicht dar, die sich an der Anode bildet. Diese Passivierungsschicht ist in etwa vergleichbar mit dem trüben Beschlag auf Silberschmuck, der mit der Zeit entsteht.

Da Lithium derart reaktiv ist, entsteht auf der Lithium-Metall-Anode ein ähnlicher Beschlag, sobald sie mit dem Elektrolyten in Berührung kommt. Diese Passivierungsschicht verändert die Struktur der Anode, beeinträchtigt den Betrieb des Akkus und verschlechtert in der Regel die Batterieleistung.

Mit den bisher gängigen Methoden sei es unmöglich, die chemische Zusammensetzung dieser Passivierungsschicht herauszufinden, schreiben die Forscher*innen der Columbia University. Mit der so genannten Kernspinresonanz soll sich nun die Chemie dieser Schicht ermitteln lassen.

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Anode darauf abstimmen

Die magnetische Kernresonanz (NMR, Nuclear Magnetic Resonance) sei in der Lage, die Struktur von organischen Molekülen und Ionen in Flüssigkeiten bestimmen zu können. Die NMR ermögliche einen einzigartigen Einblick in chemische Zusammensetzung der Passivierungsschicht. Sobald man die strukturellen Veränderungen durch diese Schicht an der Anode herausgefunden hat, könne man die ideale Struktur des Oberflächenmaterials entwerfen sowie die Gestaltung des Elektrolyts darauf abstimmen.

Die Forschungsergebnisse seien zentral für die Kommerzialisierung und die industrielle Fertigung von Lithium-Metall-Batterien, schreiben die Wissenschafter*innen. Die Ergebnisse ihrer NMR-Studie sind im Fachjournal Joule veröffentlicht worden.