Batterieforschung: DFG-Projekt zu effizienteren Ionen-Lithium-Batterien

Wird dieser Artikel gerade auf einem Laptop oder einem Smartphone gelesen, stellt dafür wahrscheinlich eine Lithium-Ionen-Batterie die nötige elektrische Energie zur Verfügung. Lithium-Ionen-Batterien sind so erfolgreich, weil sie große Mengen an Energie bei hohen Spannungen speichern können – bei derart hohen Spannungen, dass diese Batterien eigentlich gar nicht stabil sein dürften. Warum Lithium-Ionen-Batterien dennoch funktionieren und wie dieses Wissen Batterien verbessern kann, damit beschäftigt sich das neue Forschungsprojekt „Untersuchung der Transporteigenschaften sowie der Bildungs- und Wachstumsmechanismen der Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf Kohlenstoff-Modellelektroden“ der TU Ilmenau.

Seit Beginn der 1990er Jahre sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt. Während andere Batterien üblicherweise Spannungen von ein bis zwei Volt aufweisen, liegt die Spannung von Lithium-Ionen-Batterien bei vier Volt – was besonders in den Anfangszeiten der Lithium-Ionen-Batterien zu Problemen geführt hat: Viele Materialien, insbesondere die seinerzeit zur Verfügung stehenden Batterieelektrolyten, die in Batterien benötigt werden, um Ionen zu transportieren, zersetzen sich bei solch hohen Zellspannungen.

Mit einer speziellen Mischung aus verschiedenen Carbonaten gelang es Wissenschaftlern in den Folgejahren, Elektrolyte herzustellen, die ungleich länger stabil blieben. So wies zum Beispiel eine Mischung aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat sehr positive Eigenschaften auf. Ersetzte man jedoch das Ethylencarbonat mit dem chemisch sehr ähnlichen Propylencarbonat, erhielt man sehr schlechte Batterien, die schon nach wenigen Lade- und Entladevorgängen versagten. Damals war völlig unklar, weshalb eine solch kleine Änderung bei der Verwendung eines Materials einen so großen Einfluss auf die Batterie hatte.

Eine Schicht, die nicht nur schützt, sondern auch Ionen transportiert

Erst Jahre später fanden Forscher die Antwort. Verwendet man die „falschen“ Carbonate, sind diese bei hohen Zellspannungen nicht stabil, sondern zersetzen sich kontinuierlich weiter, bis die Batterie versagt. Bei der richtigen Wahl an Carbonaten hingegen bilden die Zersetzungsprodukte eine stabile, nur wenige Nanometer dünne Schicht, die den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt.Doch die Schicht muss auch in der Lage sein, Lithium-Ionen zu transportieren, andernfalls würde der Ladungsträgertransport in der Zelle zusammenbrechen und die Batterie keine Energie mehr liefern. Wie diese sogenannte Passivierungsschicht beschaffen sein muss, damit sie sowohl zuverlässig passiviert, also den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung schützt, als auch gleichzeitig Ionen leiten kann, das erforschen die TU Ilmenau und die Universität Marburg drei Jahre lang in dem neuen Forschungsprojekt. Dazu beobachten die Forscher mit verschiedenen In-situ-Methoden, teilweise im Nanometerbereich, also in kleinstem Maßstab, wie sich die Schicht bildet, wie Pfade für die Ionenleitung entstehen und wie die Schichtbildung verbessert werden kann. Prof. Andreas Bund, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Galvanotechnik, weiß, dass der Einfluss dieser Grenzschicht auf die Batterie, obwohl sie nur extrem dünn ist, enorm ist:

Eine Optimierung der Ionenleitfähigkeit, der Bildungsgeschwindigkeit und des Passivierungsverhalten würde dazu führen, dass künftige Lithium-Ionen-Batterien nicht nur schneller und effizienter geladen werden können, sondern auch länger halten und kostengünstiger sind.  Ich bin optimistisch, dass wir das schaffen.

Einziger Studiengang Elektrochemie und Galvanotechnik in Deutschland

Elektrochemie und Galvanotechnik gewinnen im Zuge der Energiewende immer mehr an Bedeutung. Durch die starke Spezialisierung auf elektrochemische Prozesse und das dafür nötige breite Grundwissen gibt es nur wenige Fachkräfte. Mit dem in Deutschland einzigartigen Studiengang Elektrochemie und Galvanotechnik bietet die TU Ilmenau beste Voraussetzungen für eine Karriere in vielfältigen Branchen. Studierende eignen sich unter anderem tiefgehende Fachkenntnisse der Technologiefelder Elektrochemische Oberflächentechnik und Elektrochemische Energiespeicherung und -wandlung an. Die TU Ilmenau arbeitet eng mit dem Zentralverband für Oberflächentechnik (ZVO) und zahlreichen Wirtschaftsunternehmen aus dem Bereich Galvano- und Oberflächentechnik zusammen. Der ZVO vergibt jährlich drei Stipendien nach Masterstudierende und fördert damit den wissenschaftlichen Branchennachwuchs. Die Höhe des Stipendiums beträgt monatlich 400 Euro. es wird in der Regel über einen Bewilligungszeitraum von vier Semestern vergeben.