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Neuer Separator stabilisiert Lithium-Metall-Akkus beim Schnellladen
Lithium-Metall-Akkus versprechen hohe Energiedichten, scheitern aber oft an Dendriten und instabilen Grenzflächen. Ein neuer Separator aus Zellulose und dem Lithium-Zeolith Bikitaite verteilt die Lithium-Ionen gleichmäßiger und bleibt auch bei hohen Lade- und Entladeraten stabil. In Vollzellen waren nach 2.585 schnellen Zyklen noch rund 60 Prozent der Anfangskapazität vorhanden.
Daejeon (Südkorea). Lithium-Metall-Akkus könnten deutlich mehr Energie speichern als heutige Lithium-Ionen-Akkus, doch ihr metallisches Lithium ist chemisch hochreaktiv. Beim wiederholten Laden kann es sich ungleichmäßig abscheiden und nadelartige Dendriten bilden, die den Separator schädigen, Kurzschlüsse begünstigen und die Lebensdauer der Zelle verkürzen.
Der Separator trennt Anode und Kathode elektrisch voneinander, muss aber zugleich Lithium-Ionen möglichst ungehindert passieren lassen. Konventionelle Polyethylenmembranen sind dafür zwar leicht und etabliert, benetzen sich mit flüssigem Elektrolyten jedoch nur begrenzt und können den Ionenstrom ungleichmäßig verteilen, was die Probleme an der Lithiumoberfläche gerade bei hohen Stromstärken verschärfen kann.
Forscher der Hanbat National University (HBNU) um Professor Sun-Yul Ryou haben deshalb den Separator selbst zum aktiven Teil des Ionentransports gemacht. Ihre poröse Zellulosematrix enthält Bikitaite, einen lithiumhaltigen Zeolith, der zusätzliche Transportwege bildet und die Lithium-Ionen gleichmäßiger durch die Trennschicht zur Metallanode führen soll.
Die Kombination aus Zellulose und Bikitaite verbessert zunächst die Aufnahme des Elektrolyten deutlich. Der gemessene Kontaktwinkel lag bei der neuen Membran bei nur 3,1 Grad, während der Polyethylen-Separator 38,9 Grad erreichte, was auf eine erheblich bessere Benetzung der Oberfläche und Poren hinweist.
Auch beim eigentlichen Ionentransport zeigte das Verbundmaterial klare Vorteile. Seine Lithium-Ionen-Überführungszahl, also der Anteil des elektrischen Stroms, den Lithium-Ionen im Elektrolyten tragen, betrug 0,742 statt 0,606 beim Vergleichsmaterial. Die ionische Leitfähigkeit erreichte bei 25 Grad Celsius 3,45 Millisiemens pro Zentimeter.
In optischen Beobachtungszellen zeigte sich der Unterschied direkt an der Lithiumoberfläche. Mit dem Polyethylen-Separator entstanden beim Abscheiden dendritische Strukturen und beim anschließenden Ablösen elektrisch inaktives Lithium, während die neue Membran eine gleichmäßigere und kompaktere Abscheidung förderte. Die Forscher führen dies auf den homogeneren Ionenstrom durch die Zellulose-Zeolith-Struktur zurück.
Die Materialwahl brachte zugleich einen ausgeprägten thermischen Vorteil. Der Polyethylen-Separator begann sich ab etwa 130 Grad Celsius zusammenzuziehen und schrumpfte oberhalb von 140 Grad um bis zu 93,8 Prozent, während die Bikitaite-Zellulose-Membran selbst bei 200 Grad Celsius keine sichtbare Schrumpfung oder Farbänderung zeigte.
Eine formstabile Trennschicht kann bei Hitze verhindern helfen, dass sich Anode und Kathode durch das Schrumpfen des Separators direkt berühren. Die Messungen belegen jedoch noch keine Sicherheit einer kompletten Batterie unter allen Störfällen, weil dafür zusätzliche Tests an größeren Zellen und später auch auf Packebene nötig wären.
In symmetrischen Zellen mit zwei Lithium-Metall-Elektroden lief das wiederholte Abscheiden und Ablösen von Lithium mit dem neuen Separator mehr als 2.200 Stunden stabil. Für eine zweite Prüfung kombinierten die Forscher eine Lithium-Metall-Anode mit einer nickelreichen NCM90-Kathode in Knopfzellen und verglichen die Ergebnisse direkt mit dem Polyethylen-Separator.