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

KIT

Copyright Abbildung(en): KIT

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

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. Das Forscherteam aus Wissenschaftlerinnen und 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.“


Das Forscherteam am KIT (v.l.n.r.): Michael Knapp, Sylvio Indris, Weibo Hua, Björn Schwarz. (Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT)

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 Wissenschaftlerinnen und 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.

Quelle: KIT – Pressemitteilung vom 05.12.2019

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13 Antworten

  1. Elektroauto ist eine Hirnrissige Idee.
    Fahre mit Diesel nach Kroatien, bis jetzt ca. 8 Stunden. Jetzt mit e mobil auf Umwegen,
    Wartezeiten und und und.
    Das System mit Zapfsäule ist so idiotisch, daß es nicht mehr steigerungsfähig ist, es wird auch wieder verschwinden.
    Ich bin Freund 2x mitgefahren nach Kroatien mit emobil. Er will es wieder verkaufen, nur mit gewaltig großen Verlust. E mobil mehr Nachteile wie Vorteile.
    Nur sinnvoll auf dem Land, wenn ich tgl. 5 km in die Arbeit fahren muss.
    Zukunft, Wasserstoff, methanol

    1. Wieder einer der Gegner von E-Autos. Wann fangen diese Menschen endlich mal an sich umfassend fachlich und neutral zu informieren? Hier nur kurz ein paar phys. Fakten:Wasserstoff, ja, für Brennstoffzellen, die aber sehr teures Platin benötigen, also nur für große Nutzfahrzeuge, bzw. als großer Energiespeicher zur Überbrückung von Wind- und Sonnenenpässen, nicht für Millionen von PWW’s.Dieser Wasserstoff muss dann aber vorher CO2 -neutral erzeugt worden sein. Das ewige Jammern nach der Reichweite, immer das Gleiche. Es ist einmal nur eine Frage der Zeit, wann die Reichweite jedem gerecht wird. Die ersten Autos hatten vor 100 Jahren auch nur geringe Reichweiten ( Kraftstoff wurde in der Apotheke gekauf!) bzw. Effizienz. Ich könnte jetzt weiter schreiben, aber wie ich schon oben geschrieben hatte sollte man sich richtig und umfasend informieren und nicht erst dann, wenn wir keine Luft mehr zum Atmen haben. UNS geht es ja sooo gut, warum sollen wir uns um unsere Kinder kümmern?!!!
      P.S. :Schreiben Sie doch mal die neg. Eigenschaften von e-Autos auf und vergleichen Sie mit Ihrem geliebten Diesel.
      Wer verbreitet denn die schlechten Nachrichten von e-Autos? Vor 100 Jahren hat man auch die stinkenden Autos geächtet und die Pferde gelobt!

      1. Lieber Herr Schreiber,
        ich fahre heute einen Pkw mit Verbrennungsmotor (Ford Focus) und stehe einem Pkw mit Elektromotor positiv gegenüber.
        Bei einem möglichen Wechsel zu einem E-Pkw stelle ich jedoch fest, dass dieser verglichen mit meinem jetzigen Pkw in einigen wesentliche Punkten zur Zeit noch nicht wettbewerbsfähig ist.
        Ursache sind hauptsächlich zwei Punkte:
        Der Tank bzw. die Batterie mit den damit verbundenen Preisen und das Tanken bzw. der Batterieladevorgang einschließlich Ladestellen.
        Die vielzitierte Reichweite hängt an sich nur von der Kapazität (kWh) der Batterie ab, d.h. mit einer derzeit serienreifen Batterie mit ca. 110 kWh Kapazität würde ich auch die 650 km Reichweite meines derzeitigen Pkws erreichen. Dass die Zahl der E-Tankstellen und die Dauer des Ladevorgangs nicht mit den Kraftstofftankstellen für Verbrennungsmotoren mithalten kann würde ich noch in Kauf nehmen.
        Bleibt als problematischer Rest die Technologie und der Preis der Batterie.
        Der technologische Schwachpunkt ist eine derzeitige Energiedichte der Batterie von ca. 160 Wh/kg, d.h. sie allein wiegt bei der genannten Reichweite knapp 700 kg und würde ca.18.000 € kosten. Wegen des aufwendigeren Ladevorganges gegenüber dem Tanken bei Verbrennungsmotoren wäre ein Kundenanreiz eine Batterie mit einer Reichweite von 1000 km.
        Fazit: Ich warte noch bis es entsprechende Feststoffbatterien mit höherer Energiedichte und damit niedrigen Gewicht und Preisen gibt. Etwas mehr als für mein derzeitiges Auto bin ich durchaus bereit zu zahlen, aber keine 10.000,- €

        1. was soll der ansatz mit 650 / 1000 km reichweite ?
          es würde voraussetzen, dass jeden tag non-stop 650 / 1000 km gefahren werden müssen ? – echt jetzt ?
          ein e-auto lädt, wenn es parkt und fährt in der regel danach jedesmal mit “vollem tank” los
          d.h. ausserauf langstecken ist ein “betanken” des fahrzeugs nicht nötig
          die einzige voraussetzung ist (würde ich empfehlen), einen halbwegs festen ladepunkt zu haben
          z.b. supermarkt, carport, garage, arbeitgeber……
          lt. statistik fährt ein pkw rund 38km am tag – dazu benötigt es einen 5-10kwh akku – das ist binnen kurzer zeit “nachgefüllt”
          dafür bieten e-fahrzeuge eine stattliche anzahl von vorteilen, welche sich massiv auf die reduktion der laufenden kosten auswirken

  2. Es scheint so, dass man hier nur positiv über e mobil schreiben darf.
    Die meisten negativen Tatsachen überwiegen ja deutlich und diese sind hier nicht gewünscht.
    Wieder eine Möglichkeit das Volk für dumm zu verkaufen.
    Traurig

    1. Dann listen Sie doch einmal bitte die negativen Eigenschaften auf und daneben die des Diesels und vergleichen. Bitte dabei die Nachhaltigkeit berücksichtigen und die Bequemlichkeit nicht als technisches Argument nutzen. Bitte vergessen Sie nicht dazu zu schreiben, wie oft im Jahr Sie nach Kroatien oder anderweitig lange 6h-Strecken fahren. Danke.

      Nachtrag: Auch wenn Sie es nicht unisono merken, vergessen Sie bitte nicht die Vorteile für Ihre Gesundheit und die der nachfolgenden Generationen.

    2. Traurig ist es nur das uneinsichtige Stimmungsmacher weiterhin ihren Egoismus ausleben wollen.
      Scheiss was auf das große Ganze.
      Hauptsache in der eigenen Komfortzone bleiben.
      Aber die Zeit wird zeigen was Vernünftig ist.

  3. leider steht nicht viel im Artikel drin über welche konkreten Erkenntnisse es sich handelt…

    @Helmut Opitz ihr Kommentar steht doch öffentlich, wieso sollten Sie nicht negativ über E-Mobile schreiben dürfen?
    Aber Sie dürfen gerne 8h nach Kroatien fahren und vor Ort durch Ermüdung andere in den Tod reißen, woanders bitte nicht;
    außerdem, was hat der Use-Case mit 1% Anwendungsszenario für eine Relevanz für den Alltag? Gerade für das tägliche Geschäft ist E-Mobilität sehr gut geeignet, auch oder gerade in der Stadt; was fehlt ist dort umfassende Ladeinfrastruktur…
    Aber, wer 5km mit dem Auto fährt, der hat echt andere Probleme, selbst mit Fahrrad dauert das für einen Normalo weniger als 20min
    Ihr Freund hat wohl das falsche Fahrzeug gekauft: erstens gilt für eigentliche alle Neuwagen, nach Schlüsselübergabe und Start ist es ca 20% weniger wert; zudem: z.B. ein Tesla S hat in dessen Segment die beste Werterhaltung für Gebrauchtfahrzeuge….
    Wasserstoff hat in Rohform kaum eine Zukunft, zu viel Druck zum Betanken benötigt, zu wenig Infrastruktur etc etc; wenn dann eher mit einem Trägerstoff, aber das dauert wohl noch…
    Sie können doch fahren was Sie wollen und dann können Sie schlauer sein als der Rest der sich für Elektrovarianten entscheidet hat und dessen geringeren Wartungsaufwand oder Fehleranfälligkeit genießt…

  4. Hallo.
    Danke an Michael für diesen Artikel. Natürlich hilft das den Normalo erstmal nicht. Er – wie ich z.b. auch einer bin – kann nur warten und hoffen, dass schon vermutlich 2020 einige neue und vor allem bezahlbare E Mobilität Autos kommen.

    Wasserstoff? Na ja, ich weiß nicht. Vielleicht nicht schlecht. Letztlich aber auch ein E Mobilität Auto. Nur das der Akku über eine Brennstoffzelle befeuert wird. Problem ist der noch sehr hohe Preis der Brennstoffzelle. Auch der Wirkungsgrad dieser ist wohl schlecht.

    Leute, noch etwas warten, 2 bis 3 Jahre. Die Akkus werden immer besser, günstiger, schneller ladbar, immer mehr Energiegehalt.

    Jedenfalls ist das irgendwie komisch, dass so viele Leute für Wasserstoff Autos sind. Dabei gibt’s fast null Auswahl.

    Grüße, Jürgen B. Niedersachsen

  5. Diese “Neuen Erkenntnisse über Degradation” machen echt Mut und zeigen auf, dass die Elektromobilität auf gutem Weg ist sich durchzusetzen. Wenn ich da mal zu meinem Mode 3 ca. 550km + 30% davon hinzurechenen würde, dann ist das schon eine Reichweite von 700km+. Das bedeutet viel weniger Ladezyklen und somit längere Betriebsdauer der Batterie. Weniger Stops an öffentlichen Ladesäulen für diejenigen, die sich zu Hause eine Möglichkeit schaffen, die im Office laden und die immer mehr werdenden Chargehotels besuchen.
    Diejenigen Stops an den öffentlichen Ladesäulen werden auch viel kürzer werden.

    Für Leute, die in die Zukunft blicken und nicht rückärts gewandt sind, wird die Elektromobilität so einfach und alltäglich wie die Benützung eines Smartphones.

    Für Leute wie Herrn Helmut Opitz ist das natürlich etwas sehr gefähliches. Er ist gefangen in seiner alten Welt während dem sich die Gesellschaft weiterentwickelt. Auf dem Weg nach Kroatien wird es dann nur noch 1 Dieseltankstelle gibt vor der sich eine Doppelkolonne von 200 Diesel Stinker angesammelt hat. Er wird dann Fluchen und Stöhnen wenn seine Reise anstelle von 8 Stunden dann plötzlich 12 Stunden dauert, nur weil sein Kopf niemals zugeben konnte, dass er auf das falsche Pferd, also das Diesel/Wasserstoff Pferd gesetzt hat.
    Ich frage mich schon auch was jemandem fehlt, der in 8 Stunden nach Kroatien rasen muss. Vielleicht wäre das sogar ein Wohnsitzwechsel nicht das Dümmste.

  6. was viele vergessen ist das der Diesel auch nicht von heute auf morgen entwickelt wurde, und so ist es auch bei der E-Mobilität.
    Das ist im Verhältnis eine junge Technik. Bin sicher das in den kp
    ommenden Jahren sich viel tun wird.
    Wer keine Elektrofahrzeuge möchte muss diese ja auch nicht kaufen. Verstehe nicht warum man immer dafür oder dagegen sein muss.
    In der Zukunft wird meiner Meinung Diesel Benzin und Elektro nebeneinander existieren.

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