Lithium-Ionen-Akkus gelten als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung. Deswegen arbeiten Forschende weltweit daran, deren Leistungsfähigkeit fortlaufend zu verbessern; unter anderem durch eine Steigerung der Energiedichte. "Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, liegt darin, die Betriebsspannung zu erhöhen", sagt Dr. Mario El Kazzi vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften am Paul Scherrer Institut PSI. "Steigt die Spannung, so steigt auch die Energiedichte."

Jedoch gibt es da ein Problem: Bei Betriebsspannungen von mehr als 4,3 Volt finden am Übergang von Kathode und dem Elektrolyten erhebliche Abbauprozesse statt. Die Oberfläche der Kathodenmaterialien wird durch die Freisetzung von Sauerstoff, die Auflösung der Übergangsmetalle und durch strukturelle Rekonstruktion stark geschädigt – was einen fortlaufenden Anstieg des Zellwiderstands und einen Kapazitätsabfall zur Folge hat. Deswegen laufen kommerzielle Batteriezellen, zum Beispiel die von Elektroautos, bisher mit maximal 4,3 Volt.

Um dieses Problem zu lösen, haben El Kazzi und sein Team eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Oberfläche der Kathode stabilisieren lässt, indem diese mit einer dünnen gleichmäßigen Schutzschicht überzogen wird. Über ihre Entdeckung berichten die Forschenden in einer Studie im Fachblatt ChemSusChem.

Kathodenmaterial geschützt

Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Gas, das bei der Herstellung von Kunststoffen wie PTFE, PVDF und Schaumstoff als Nebenprodukt entsteht: Trifluormethan (CHF3). Im Labor leiteten El Kazzi und sein Team bei 300 Grad Celsius eine Reaktion zwischen dem CHF3 und der dünnen Schicht aus Lithiumcarbonat ein, welche die Oberfläche der Kathoden bedeckt. Dabei reagiert Lithium an der Grenzschicht zu Lithiumfluorid (LiF). Wichtig dabei: Die Lithium-Atome des Kathodenmaterials bleiben dabei als Ionen erhalten. Diese Lithium-Ionen müssen nämlich beim Laden und Entladen zwischen der Kathode und der Anode, dem Minuspol, weiter hin- und herwandern können, damit die Akkukapazität im späteren Betrieb nicht beeinträchtigt ist.

In einem weiteren Schritt prüften die Forschenden die Wirksamkeit der Schutzschicht, indem sie elektrochemische Tests bei hohen Betriebsspannungen durchführten. Das Ergebnis: Die Schutzschicht blieb auch bei höheren Spannungen stabil, so dass Betriebsspannungen von 4,5 und auch 4,8 Volt möglich sind.

Im Vergleich zu Batterien mit ungeschützten Kathoden schnitten die beschichteten bei allen wichtigen Parametern deutlich besser ab. So war die Impedanz, also der Widerstand für die Lithium-Ionen an der Grenzfläche der Kathode, nach einhundert Auf- und Entladedurchgängen um rund 30 Prozent niedriger als bei den Batterien mit unbehandelter Kathode. "Ein eindeutiges Zeichen dafür, dass unsere Schutzschicht den Anstieg des Widerstandes abschwächt, der durch die sonst stattfindenden Grenzflächenreaktionen auftritt", erklärt El Kazzi. Verglichen wurde auch der Kapazitätserhalt. Dieser steht für die Menge an Lithium-Ionen, die nach einer bestimmten Anzahl Auf- und Entladedurchgängen immer noch von der Kathode zur Anode wandern können. Je näher dieser Wert an 100 Prozent liegt, desto geringer ist der Kapazitätsabfall. Auch hier erwies sich der Akku mit beschichteter Kathode in den Tests als überlegen: Der Kapazitätserhalt lag bei über 94 Prozent nach 100 Lade- und Entladedurchgängen ohne Abnahme der Ladegeschwindigkeit, während der unbehandelte Akku auf nur 80 Prozent kam.

Das am PSI entwickelte Beschichtungsverfahren öffnet neue Wege, die Energiedichte von verschiedenen Batterietypen zu steigern: "Wir können davon ausgehen, dass unsere Lithiumfluorid-Schutzschicht universell und bei den meisten Kathodenmaterialien anwendbar ist", betont El Kazzi. "Sie funktioniert zum Beispiel auch bei Nickel- und Lithium-reichen Hochspannungsbatterien."

Treibhausgas nutzen

Ein weiterer Aspekt des neuen Verfahrens: Trifluormethan ist ein hochwirksames Treibhausgas und um ein Vielfaches klimaschädlicher als Kohlendioxid, weswegen es nicht in die Atmosphäre gelangen sollte. So könnte die Umwandlung in eine einheitliche dünne LiF-Schutzschicht auf der Oberfläche von Kathodenmaterialien eine effiziente Lösung sein, das Gas zu nutzbringend zu verwenden, indem es Teil einer Kreislaufwirtschaft wird.

Publikation:
Aleš Štefančič, Carlos Antonio Fernandes Vaz, Dominika Baster, Elisabeth Müller, Mario El Kazzi, Štefančič A, Vaz CAF, Baster D, Müller E, El Kazzi M. Converting the CHF3 Greenhouse Gas into Nanometer-Thick LiF Coating for High-Voltage Cathode Li-ion Batteries Materials. ChemSusChem 2025, e202402057. Epub ahead of print. DOI/10.1002/cssc.202402057

Quelle: Paul Scherrer Institut PSI