Eine neue quantitative Regel für die Entwicklung besserer Batterien

Entdeckung eines Schlüsselfaktors ermöglicht numerisches Design von Elektrolyten zur Verbesserung der Batterieleistung und -sicherheit

19.11.2025

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Ein gemeinsames Forschungsteam der Universität Osaka und Daikin Industries, Ltd. hat einen entscheidenden neuen Indikator für die Entwicklung fortschrittlicher Lithium-Ionen-Batterien gefunden. Sie entdeckten, dass das "chemische Potenzial des Lithium-Ionen-Elektrolyts" - ein Maß dafür, wie "unbehaglich" ein Lithium-Ion im Elektrolyt einer Batterie ist - quantitativ bestimmt, ob eine Batterie reversibel geladen und entladen werden kann. Diese Erkenntnis ebnet den Weg für einen Wechsel von der Versuch-und-Irrtum-Entwicklung zu einem rationalen, datengesteuerten Designprozess für sicherere und leistungsfähigere Batterien.

Lithium-Ionen-Batterien sind für die moderne Gesellschaft unverzichtbar und treiben alles an, von Smartphones bis zu Elektrofahrzeugen. Um ihre Leistung zu verbessern, haben Forscher nach neuen Elektrolyten (das flüssige Medium, das die Ionen transportiert) gesucht. Eine große Herausforderung war jedoch das Fehlen eines klaren Leitfadens zur Vorhersage, ob ein neuer Elektrolyt mit den negativen Graphitelektroden, die üblicherweise in diesen Batterien verwendet werden, gut funktioniert. Dies machte die Entwicklung von Elektrolyten zu einem schwierigen, empirischen Prozess.

Das Forschungsteam fand heraus, dass der Schlüssel im chemischen Lithium-Ionen-Potenzial in einem Elektrolyten liegt. Damit eine Batterie ordnungsgemäß geladen werden kann, müssen Lithiumionen aus dem Elektrolyten in die Graphitelektrode wandern. Das Team stellte klar, dass dieser Prozess nur dann erfolgreich abläuft, wenn die Lithium-Ionen im Elektrolyten ausreichend "instabil" sind, d. h. wenn ihr chemisches Potenzial hoch ist. Dieser neue Maßstab bietet einen klaren numerischen Standard zur Bestimmung der Eignung eines Elektrolyten und beendet das Rätselraten. Sie haben auch gezeigt, dass ein neu entwickeltes fluoriertes Ether-Lösungsmittel, das auf der Grundlage dieses Konzepts konzipiert wurde, eine hervorragende Batterieleistung ermöglicht.

Diese Entdeckung ermöglicht ein rationales und hocheffizientes Design neuer Elektrolyte. Durch die Integration des chemischen Lithium-Ionen-Potenzials in die Materialinformatik können die Forscher die Leistung neuer Materialien vorhersagen und damit den Entwicklungsprozess erheblich beschleunigen. Dies wird die Verbesserung der Leistung, Lebensdauer und Sicherheit von Batterien beschleunigen, die in kritischen sozialen Infrastrukturen wie Elektrofahrzeugen, Speichersystemen für erneuerbare Energien und unterbrechungsfreien Stromversorgungen für Rechenzentren eingesetzt werden.

"In dieser Studie haben wir mehr als nur ein neues Material entdeckt", sagt Dr. Yasuyuki Kondo, Hauptautor der Studie. "Wir haben den Faktor identifiziert, der die Lade-Entlade-Reaktionen in Lithium-Ionen-Batterien tatsächlich steuert. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse die künftige Batterieforschung und -entwicklung beschleunigen und zur Lösung der energiepolitischen und wirtschaftlichen Herausforderungen der Welt beitragen werden."

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Originalveröffentlichung

Yasuyuki Kondo, Haruna Nakajima, Yu Katayama, Nao Kobayashi, Shinya Otani, Akinori Tani, Shigeaki Yamazaki, Yuki Yamada; "Electrolyte Li+ Chemical Potential Correlates with Graphite Negative Electrode Reactions in Lithium‐Ion Batteries"; Advanced Materials, 2025-10-25

https://www.chemie.de/news/1187576/eine-neue-quantitative-regel-fuer-die-entwicklung-besserer-batterien.html