Lithium-Metall-Akku: Kein Akkutausch bei E-Autos mehr nötig

Lithium-Ionen-Akkus sind der Industriestandard. Sie kommen bei Notebooks, Smartphones und Elektroautos zum Einsatz. Gerade in E-Autos zeigen sich aber die Schwächen: Sie sind groß, schwer, teuer, haben lange Ladezeiten und können bei Unfällen zu verheerenden Bränden führen.

Seit Jahrzehnten wird an Festkörperakkus geforscht, die all diese Mängel beheben sollen. Besonders vielversprechend sind Lithium-Metall-Akkus: „Sie gelten als der heilige Gral der Batterie-Forschung, wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte“, sagt Xin Li von der Universität Harvard. Die Bauweise dieser Akkus bringt jedoch Probleme mit sich. Eines davon scheint Xin Li mit seinem Team jetzt gelöst zu haben.

Dendriten lösen Kurzschlüsse aus

Bei Lithium-Metall-Batterien bilden sich beim Laden nadelähnliche Dendriten auf der Metallschicht, die das Elektrolyt ist. Wie Wurzeln wachsen sie in das Elektrolyt und zerstören so die Barriere zwischen Anode und Kathode. Das resultiert in einem Kurzschluss und führt in manchen Fällen zum gefährliche Abbrennen des Akkus.

Xin Li und sein Team lösen das Problem, indem sie das Elektrolyt aus mehreren Schichten bauen. Zusätzlich zur Lithium-Metall-Schicht kommt eine zweite Schicht zum Einsatz, die aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel besteht.

Die Dendriten können zwar durch die Lithium-Metall-Schicht wachsen, werden aber dann durch die zweite Schicht gestoppt. Anstatt also umständlich zu versuchen, das Entstehen der Dendriten zu verhindern, wird das Wachstum kontrolliert. Der Einsatz der zweiten Schicht hat einen weiteren Vorteil: Der Akku wird dadurch selbstheilend. Die chemischen Prozesse verschließen Löcher in der Lithium-Metall-Schicht, die durch Dendriten entstanden sind.

Erste Labortests erfolgreich

In Tests im Labor wurde festgestellt, dass der Akku mindestens 10.000 Ladezyklen übersteht. Bisher entwickelte Lithium-Metall-Akkus sind schon nach 50 bis 100 Ladezyklen durch Dendriten stark beschädigt.

Der Akku mit Doppelschicht lud in den Labortests schneller als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus und verlor nach mehreren tausend Ladezyklen nur 20 Prozent der Kapazität. Allerdings ist dieser Prototyp derzeit nur auf Stabilität optimiert und hat deshalb nicht deutlich mehr Kapazität als ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku.

Kein Tausch des Elektroauto-Akkus mehr

Laut Xin Li zeige die Entwicklung bereits, dass Lithium-Metall-Festkörperbatterien nicht nur eine ähnliche Haltbarkeit wie Lithium-Ionen-Akkus, sondern sogar eine höhere Haltbarkeit erreichen können. Zudem sei die Mehrschicht-Lösung potenziell tauglich für die Massenproduktion, weshalb Lithium-Metall-Akkus nicht wesentlich teurer wären, als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus.

Kommerzielle Lithium-Metall-Akkus mit Doppelschicht könnten laut den Forscher*innen eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren haben. Das entspricht in etwa der eines Benzinautos. Bei Elektroautos mit solch einem Akku müsste man also nicht mehr nach ein paar Jahren den Akku ersetzen, um wieder mehr Reichweite zu haben. Zudem könnte ein solcher Lithium-Metall-Akku in 10 bis 20 Minuten vollständig aufgeladen sein.