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Nanostrukturierte Kupferfolie stabilisiert anodenfreie Lithium-Akkus
Eine nanostrukturierte Kupferfolie kann anodenfreie Lithium-Metall-Batterien beim wiederholten Laden deutlich stabiler machen. Winzige Röhren und eine ultradünne MXene-Beschichtung verteilen abgeschiedenes Lithium gleichmäßiger und fördern eine robuste fluoridreiche Schutzschicht. In Knopfzellen blieb nach 125 Zyklen deutlich mehr Kapazität erhalten, doch ein Einsatz in Elektroautos ist damit noch nicht belegt.
Daejeon (Südkorea). Anodenfreie Lithium-Metall-Batterien verzichten beim Zusammenbau auf ein separates Anodenmaterial wie Graphit. Beim Laden lagert sich metallisches Lithium direkt auf einem dünnen Kupfer-Stromableiter ab. Das spart Masse und Bauraum und kann so die Energiedichte einer Zelle erhöhen.
Der Vorteil hat jedoch einen Preis. Lithium kann sich auf der Kupferfläche ungleichmäßig abscheiden, nadelartige Dendriten bilden und durch Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten verloren gehen. Auch die schützende Grenzschicht zwischen Lithium und Elektrolyt bleibt oft instabil. Zusätzliche Lithiumreserven oder dicke Schutzlagen können solche Verluste abfedern, erhöhen aber wiederum Gewicht und Volumen.
Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) um Prof. Hee-Tae Jung haben deshalb die Kupferfolie selbst verändert. Mit einem aus der Halbleiterfertigung stammenden Verfahren erzeugten sie dicht stehende röhrenförmige Nanostrukturen. Die Röhren sind etwa 300 Nanometer breit und 150 Nanometer hoch. Dadurch wächst die für die Lithiumabscheidung verfügbare Oberfläche auf ungefähr das Vierfache einer flachen Kupferfolie.
Zusätzlich beschichtete das Team die Nanostruktur mit einer rund zehn Nanometer dünnen Lage des zweidimensionalen Titancarbids Ti₃C₂Tₓ, eines sogenannten MXene-Materials. Die MXene-Oberfläche beeinflusst, wo Lithium aus dem Elektrolyten abgeschieden wird und welche Bestandteile sich an der Grenzfläche anreichern.
„Diese Studie zeigt, wie ultrafeine Halbleiterfertigung gleichmäßige Lithium-Abscheidungsorte und eine stabile Schutzschicht schafft, ohne Elektrolytformulierung oder zusätzliches Lithium zu verändern“, erklärt Prof. Jinwoo Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).
Im verwendeten LiPF₆-Elektrolyten bindet die MXene-Oberfläche bevorzugt PF₆⁻-Ionen. Dadurch entsteht beim Betrieb eine anorganisch geprägte Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase, die sogenannte Solid Electrolyte Interphase (SEI), mit einem hohen Anteil an Lithiumfluorid. Die Forscher beobachteten Lithiumfluorid-Nanopartikel entlang der MXene-Schicht und fanden dort eine gleichmäßigere und robustere Grenzschicht.
Dafür untersuchte das Team Elektrodenoberflächen und Querschnitte mit mehreren Analyseverfahren, darunter Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie und Transmissionselektronenmikroskopie. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass die Kombination aus größerer Kupferoberfläche und chemisch aktiver MXene-Beschichtung zwei Probleme zugleich adressiert. Lithium erhält mehr gleichmäßig verteilte Keimbildungsorte, während die Grenzschicht unerwünschte Reaktionen und unregelmäßiges Wachstum begrenzt.
Entscheidend war anschließend der Test in anodenfreien Vollzellen mit nickelreicher NCM811-Kathode und knapper Elektrolytmenge. Nach 125 Lade- und Entladezyklen erreichten Zellen mit der MXene-beschichteten Nanoröhren-Kupferfolie noch 78,1 Milliamperestunden pro Gramm. Vergleichszellen mit flacher, unbeschichteter Kupferfolie kamen zu diesem Zeitpunkt nur auf 44,9 Milliamperestunden pro Gramm.
Auch die Coulomb-Effizienz lag mit der neuen Grenzfläche höher. Sie erreichte 99,06 Prozent gegenüber 95,01 Prozent bei blankem Kupfer. Diese Kennzahl beschreibt, welcher Anteil der beim Laden übertragenen elektrischen Ladung beim Entladen wieder nutzbar wird. Kleine irreversible Verluste können sich über viele Zyklen summieren.