Herausforderung Kälte: Ein Problem für Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus und andere Metallionen-basierte Batterien versorgen tragbare Geräte, treiben Fahrzeuge an und speichern erneuerbare Energien wie Solar- und Windkraft. Ihre Leistung bleibt jedoch nur bei wärmeren Temperaturen stabil. Sinkt die Temperatur, kann die Effizienz der Akkus deutlich abnehmen – ein Problem für Elektrofahrzeuge, die Luft- und Raumfahrt sowie militärische Anwendungen. Maßnahmen wie integrierte Heizungen, verbesserte Elektrolyte oder spezielle Elektrodenbeschichtungen können zwar Abhilfe schaffen, erhöhen jedoch die Produktionskosten und die Komplexität oder beeinträchtigen die Leistung.

Materialien mit negativer Wärmeausdehnung als Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien

Eine der Ursachen für das  Problem mit der Kälte ist die verlangsamte Diffusion der Lithium-Ionen innerhalb des Elektrodenmaterials. Hier setzt das Team von der Donghua University und der Fudan University in Shanghai sowie der Inner Mongolia University in Hohhot an. Die Forschenden folgenden neuen Ansatz vor: Elektroden aus elektrochemischen Energiespeicher-Materialien mit negativer Wärmeausdehnung (negative-thermal-expansion, NTE) wie Lithium-Titan-Phosphat LiTi₂(PO₄)₃ (LTP).

Das Team um Liming Wu, Chunfu Lin und Renchao Che verwendete LTP als Modellsubstanz, um zu zeigen, dass Elektrodenmaterialien mit NTE-Eigenschaften unter niedrigen Temperaturen gute Leistungen bringen können.

Wie sich Lithium-Titan-Phosphat bei Kälte verhält

Eine Analyse der Kristallstruktur ergab ein dreidimensionales Gitter aus TiO₆-Oktaedern und PO₄-Tetraedern mit offener, flexibler Struktur und „Höhlen“ sowie „Kanälchen“, in die Lithium-Ionen eingelagert werden.

Beim Abkühlen dehnt sich die Struktur entlang einer der Kristallachsen aus. Durch spektrometrische und elektronenmikroskopische Analysen sowie Computerberechnungen stellte das Team fest, dass sich bei niedrigen Temperaturen die Schwingungsmodi der Atome verändern. So treten spezielle Querschwingungen bestimmter Sauerstoffatome verstärkt auf.

Überlegene Leistung bei niedrigen Temperaturen

Dadurch vergrößern sich deren Abstände zueinander, die Hohlräume des Gitters werden erweitert und so Einlagerung und Transport von Lithium-Ionen erleichtert. Bei −10 °C erreicht ihre Diffusionsgeschwindigkeit noch 84% des Werts für 25 °C. Elektrochemische Tests an Kohlenstoff-beschichtetem LTP ergaben eine auch bei −10 °C gute elektrochemische Leistung mit hoher Kapazität und hoher Entladungsrate sowie sehr hohem Kapazitätserhalt über 1000 Lade/Entlade-Zyklen.

Materialien mit negativer Wärmeausdehnung sind somit ein vielversprechender Ansatz als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien für kalte Umgebungen.

Originalpublikation:
Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negative thermal expansion behavior enabling good electrochemical-energy-storage performance at low temperatures. Angewandte Chemie International Edition, 137, e202419300. doi.org/10.1002/ange.202419300

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.