Ist es möglich, kleiner und dennoch lang zu bauen?

Lithium-Ionen-Batterien sind mittlerweile aus Haushalten auf der ganzen Welt nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer hervorragenden Energiespeicherung, ihres geringen Gewichts und ihres Wiederaufladepotenzials finden diese Batterien mittlerweile weit verbreitete Verwendung in Elektrofahrzeugen (EVs) und anderen Energiespeichergeräten für den Haushalt.

Aber ist es möglich, langlebigere und kleinere Lithium-Ionen-Batterien mit gleicher oder größerer Kapazität zu bauen? Die Antwort ist ja. Forscher auf der ganzen Welt arbeiten nun daran, die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen und den Weg zu ebnen, sie leichter und kleiner zu machen.

Diese Batterien bestehen aus zwei Anschlüssen – einer Kathode (positiver Ladeanschluss) und einer Anode (negativ geladener Anschluss), einem Elektrolyten (einem halbflüssigen Element) und einem Separator in der Mitte. Normalerweise ist die Kathodenseite von Lithium umgeben, während die Anode aus Graphit besteht. Die gesamte Funktionsweise dieser Li-Ionen-Batterien dreht sich um die Bewegung von Li-Ionen und Elektronen beim Laden und Entladen.

Diese werden auch Lithium-Sauerstoff-Batterien genannt. Sie können zehnmal mehr Energie speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Ihre Energiekapazitäten sind vergleichbar mit der Energie, die fossile Brennstoffe bieten. Sie müssen jedoch noch zu einer praktikablen Lösung für den kommerziellen Einsatz werden.

Konstruktionsbedingt besteht bei diesen Batterien eine der Elektroden aus Lithium, während die andere Seite aus einer Gasdiffusionselektrode besteht. Bei der Verwendung dieser Batterien bewegen sich Lithiumionen von der Kathode über den Elektrolyten zur Anode, wo sie sich mit Sauerstoff verbinden, Lithiumoxid bilden und Strom erzeugen.

Die gute Nachricht ist jedoch, dass eine Gruppe von Forschern daran arbeitet, es zum Erfolg zu führen. Ein Team der Universität Oldenburg in Deutschland hat damit begonnen, daran zu arbeiten, die Lebensdauer dieser Batterien zu verlängern und diese Lithium-Sauerstoff-Batterien Wirklichkeit werden zu lassen. Das Projekt trägt den Namen Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium-Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität inaktiver Komponenten (AmaLiS 2.0). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung bewilligte dem Projektteam 1,1 Millionen Euro.

Das Team arbeitet daran, eine neue Idee zu testen, bei der Kathode und Anode durch eine beidseitig beschichtete Membran getrennt werden sollen. Darüber hinaus möchte das Team zwei unterschiedliche Elektrolyte für die beiden Seiten der Batterie verwenden. Schließlich wollen sie auch Titankarbid als Material für eine der Elektroden ausprobieren.

Neben den Arbeiten an Lithium-Sauerstoff-Batterien arbeiten mehrere Forscher, Elektrofahrzeuge und andere Unternehmen daran, Graphit an der Anode durch Silizium zu ersetzen, ein weiteres entscheidendes Element. Silizium hat den Vorteil, dass es bei Verwendung in einer Anode zehnmal mehr Lithiumionen aufnehmen kann als Graphit.

Doch es gibt technische Hürden, die den Einsatz trotz seiner Vorteile verhindern. Erstens wird seine Verwendung häufig für die Volumenausdehnung der Anode bei Beladung mit Lithiumionen verantwortlich gemacht, was häufig zu Materialbrüchen führt. Dies wird auf die Kontraktion und Ausdehnung der Anode bei der Verwendung von Silizium zurückgeführt.

Die gute Nachricht ist jedoch, dass die Forscher auf einen Durchbruch dieser Technologie hinarbeiten. Beispielsweise arbeiten General Motors und OneD Battery Sciences an einer Silizium-Nanotechnologie-Anode. Das Team behauptete, dass diese umstrukturierten Batterien bis Ende 2026 im Mercedes-G-Klasse-SUV zum Einsatz kommen würden. In ähnlicher Weise hat Group14 Technologies versprochen, bis 2024 seine siliziumbetriebenen Batterien in seinen Porsche-Elektrofahrzeugen einzubauen.

Laut Forschern verfügt Silizium über einzigartige Eigenschaften wie seine langlebige Kapazität und schnelles Aufladen, die zukünftige Elektrofahrzeuge erschwinglicher, effektiver und noch kleiner machen können. Darüber hinaus kann seine Verwendung als Alternative zu Graphit aufgrund seines großen Vorkommens die Hersteller auch von Graphit unabhängig machen, das noch in sehr wenigen Ländern wie China vorkommt.

Zuvor versuchte sogar die Mega-EV-Marke Tesla, die Kapazität ihrer Batterien zu erhöhen, indem sie ihrer Batterieanode magere 5 Prozent Silizium hinzufügte. Darüber hinaus investieren mehrere andere Forscher und Unternehmen in Forschung und Entwicklung, um Silizium anstelle von Graphit zu verwenden, um die Importabhängigkeit zu verringern und die Effizienz der Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.