09.12.2019 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Wichtige Erkenntnis auf dem Weg zur Hochenergie-Batterie

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen.

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit einer größeren Ladekapazität. „Wir sind dabei, solche Hochenergie-Systeme zu entwickeln“, sagt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS). „Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektrochemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu 30 Prozent erhöhen.“ Am KIT läuft diese Forschung im Rahmen des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), der größten deutschen Forschungsplattform für elektrochemische Speicher, deren stellvertretender Sprecher Ehrenberg ist.

Die Hochenergievariante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ein spezifisches Kathodenmaterial: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, kommen nun manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss zum Einsatz, was die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial deutlich erhöht. Allerdings gibt es beim Einsatz dieser Materialien bislang noch ein Problem: Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen – also der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie – degradiert das Hochenergie-Kathodenmaterial. Das Schichtoxid wandelt sich nach einiger Zeit in eine Kristallstruktur mit sehr ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften um. Als unerwünschte Folge sinkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an, was die Entwicklung von brauchbaren Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus bislang verhinderte.

Neue Erkenntnisse über Degradation

Wie genau dieser Degradationsprozess abläuft, war noch nicht vollständig verstanden. Ein Forscherteam aus Wissenschaftlern des KIT und kooperierender Einrichtungen hat den grundlegenden Mechanismus nun in der Zeitschrift Nature Communications beschrieben: „Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft“, sagt Weibo Hua (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der Studie. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“ Neben diesen Ergebnissen zeigt die Studie außerdem, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess stammen müssen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und die beteiligten Wissenschaftler nämlich anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden.

Auf dem Weg zu Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos stellen die Forschungsergebnisse des KIT einen wichtigen Schritt dar: Sie machen es möglich, nun neue Ansätze zur Minimierung der Degradation in den Schichtoxiden zu testen und in die eigentliche Entwicklungsarbeit zu diesem neuen Batterietyp einzusteigen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über KIT
  • News

    Mikrobielle Cyborgs: Bakterien als Stromlieferanten

    Noch bestehen elektronische Geräte aus unbelebten Materialien. Eines Tages könnten jedoch „mikrobielle Cyborgs“ in Brennstoffzellen, Biosensoren oder Bioreaktoren nützlich sein. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologe (KIT) haben hierzu die Voraussetzung geschaffen, indem si ... mehr

    Strahlendes Weiß ohne Pigmente

    Polymerfolien, die extrem dünn sind und eine hohe Lichtstreuung aufweisen, sind das Ergebnis eines neuen Verfahrens aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das kostengünstige Material lässt sich industriell auf unterschiedlichsten Gegenständen aufbringen, um ihnen eine attraktive ... mehr

    Vom Treibhausgas zum Hightech-Rohstoff

    Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht im Forschungsprojekt NECOC eine weltweit einzigartige Versuchsanlage zur aktiven Reduktion des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2). Die Anlage im Containermaßstab produziert aus dem in der Umgebungsluft enthaltenen CO2 das hochreine Kohl ... mehr

  • Videos

    Bioliq: Energiegewinnung aus Reststoffen – komplette Prozesskette läuft

    Die bioliq®-Pilotanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) läuft erfolgreich über die gesamte Prozesskette. Alle Stufen des Verfahrens sind nun miteinander verbunden: Schnellpyrolyse, Hochdruck-Flugstromvergasung, Heißgasreinigung und Synthese. Durch bioliq® wird Restbiomasse in u ... mehr

    Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen

    Lithium-Batterien sollten bei Transport, Montage und im Betrieb wirklich sicher sein. KIT-Wissenschaftler erklären, welche Faktoren dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. mehr

    Kleben wie ein Gecko: selbstreinigend und haftsicher

    Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch auf glatten Flächen einwandfrei. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh haben nun den ersten Klebstreifen entwickelt, der nicht nur genauso hafts ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Forschungsgegenstand des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist das Studium molekularer Interaktionen an fest/gas und fest/flüssig Grenzflächen. Aus der Untersuchung von Grundlagenprozessen auf der Nano-Ebene gewonnene Erkenntnisse werden konsequent auf die Makro-Ebene technische ... mehr

    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytische Quantifizierung von Gluten in Lebensmitteln

    Der Gesetzgebung zufolge dürfen Lebensmittel, die mit einem Glutenfrei-Symbol versehen sind, nicht mehr als 20 mg Gluten pro Kilogramm enthalten, was für Zöliakie-Betroffene aus gesundheitlichen Gründen lebenswichtig ist. mehr

    Bewertung der Lungentoxizität von Luftschadstoffen

    Die aktuellen Diskussionen zu Fahrverboten in europäischen Städten zeigen einerseits den hohen Stellenwert, den die Bevölkerung der Luftqualität zumisst, und andererseits den Mangel an Methoden, die von Luftschadstoffen ausgehende Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit direkt zu bewerten. mehr

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Katharina Scherf

    Katharina Scherf, Jahrgang 1985, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München (TUM). Ihre Promotion und Habilitation erwarb sie ebenfalls an der TUM und war als leitende Wissenschaftlerin am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der TUM tätig. 2019 wurde ... mehr

    Majlinda Xhaferaj

    Majlinda Xhaferaj, Jahrgang 1992, schloss ihr Lebensmittelchemiestudium im Jahr 2018 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ab. Seit 2019 ist sie Doktorandin in der Abteilung für Bioaktive und Funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mit dem Schwerpunkt der Glutenanalytik zur Verbesseru ... mehr

    Dipl. Ing. Sonja Mülhopt

    Sonja Mülhopt erwarb 2000 ihr Diplom für Maschinenbau an der Berufsakademie (heute DHBW) Mannheim. Die begleitende Ausbildung durchlief sie am Forschungszentrum Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2014 erhielt sie den Master of Science für Chemieingenieurwesen ... mehr