#Lösungsmittel für leistungsfähigere Akkus

Ob im Smartphone oder im Elektroauto: Lithium-Ionen-Akkus sind in vielen Bereichen verbreitet. Unpraktisch ist allerdings, dass sie oft lange zum Aufladen brauchen und dass sie bei niedrigen Temperaturen große Teile ihrer Kapazität einbüßen. Nun haben Forschende eine neue Elektrolyt-Lösung entwickelt, die beide Bereiche verbessern könnte. Das Lösungsmittel besteht aus sehr kleinen Molekülen, die den Transport der Ionen innerhalb des Akkus verbessern und so das Laden beschleunigen können. Zudem blieb die Kapazität selbst bei -70 Grad Celsius vergleichsweise hoch.

Wer ein Elektroauto fährt, kann ein Lied davon singen: Strecken, die im Sommer kein Problem sind, erfordern im Winter einen Zwischenstopp zum Laden. Das wiederum dauert eine Weile. Wie schnell ein Akku aufgeladen werden kann, wird durch die Leitfähigkeit des Elektrolyten in seinem Inneren begrenzt. Diese bestimmt, wie gut sich die Lithium-Ionen innerhalb des Akkus bewegen können. Für bisherige Akkus gilt: Je höher die Leitfähigkeit, desto schneller lässt sich der Akku laden – doch desto stärker ist auch der Leistungsverlust bei Kälte.

Scheinbar widersprüchliche Eigenschaften

„Der ideale Elektrolyt würde widersprüchliche Eigenschaften erfordern“, erklärt ein Team um Di Lu von der Zhejiang University in China. „Er müsste zugleich ermöglichen, dass sich die Lithiumsalze in hohem Maße lösen, dürfte nur eine niedrige Energiebarriere für den Transport der Lithiumionen haben und müsste außerdem beim Laden eine Schicht auf der negativen Elektrode bilden, um ein schnelles Wiederaufladen zu ermöglichen. Diese Eigenschaften lassen sich mit den bisherigen Elektrolyten nie gleichzeitig erreichen.“

Lu und sein Team haben nun eine Möglichkeit gefunden, wie sich schnelles Aufladen und hohe Leistungsfähigkeit bei Kälte doch vereinen lassen: Während die Lösungsmittel, die bisher als Elektrolyt verwendet werden, aus relativ großen Molekülen bestehen, schlagen sie vor, ein Lösungsmittel namens Fluoracetonitril zu verwenden, dessen einzelne Moleküle wesentlich kleiner sind. Die Moleküle des Lösungsmittels können die Lithium-Ionen wie eine Hülle umgeben. Während größere Lösungsmittel nur eine Hülle um jedes Lithium-Ion bilden, was mit einem langsamen Ionentransport einhergeht, formt Fluoracetonitril zwei Hüllen, die zusammen wie eine Art Tunnel für die Ionen funktionieren. Auf diese Weise gelangen die Lithium-Ionen schnell von einem Pol des Akkus zum anderen.

Leistungsfähigkeit auch bei Minusgraden

In den Experimenten des Forschungsteams erreichten Akkus mit Fluoracetonitril als Lösungsmittel bei Raumtemperatur eine Ionenleitfähigkeit von 40,3 Millisiemens pro Zentimeter – rund viermal mehr als bisherige Akkus. Zugleich hält das Lösungsmittel auch niedrigen Temperaturen stand, wie die Te4sts ergaben. Selbst bei −70 Grad Celsius war die Ionenleitfähigkeit noch ähnlich hoch wie bei gewöhnlichen Akkus bei Raumtemperatur – und etwa 10.000 Mal höher als mit bisherigen Elektrolyten bei so niedrigen Temperaturen.

„Der Elektrolyt mit kleinen Lösungsmittel-Molekülen ermöglicht es den Lithium-Ionen-Akkus, gleichzeitig eine hohe Energiedichte, eine schnelle Aufladung und einen weiten Betriebstemperaturbereich zu erreichen“, schreiben Lu und seine Kollegen. Auch die Lebensdauer des neuartigen Akkus ist den Forschenden zufolge hoch. In ihren Tests schaffte der Akku mehr als 3.000 Zyklen von Laden und Entladen.

Nächste Generation von Lithium-Ionen-Akkus

„Diese Forschungsarbeit eröffnet neue Wege für die Entwicklung der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Akkus“, schreiben Chong Yan und Jia-Qi Huang vom Pekinger Institut für Technologie in einem begleitenden Kommentar zur Studie, der ebenfalls in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. „Die zuvor unbekannte Form des strukturellen Transports der Lithium-Ionen innerhalb des Akkus könnte innovative Ansätze für das Schnellladen und die Entwicklung von Niedertemperatur-Akkus inspirieren.“

Quelle: Di Lu (Zhejiang University, China) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07045-4

© wissenschaft.de – Elena Bernard