Forscher des Japan Advanced Institute of Science and Technology haben einen neuen Elektrolytzusatz namens FPTI entwickelt, der die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus drastisch erhöht. Bei Tests behielten Graphitelektroden nach 1.000 Ladezyklen bis zu 95,6 Prozent ihrer Kapazität, indem sie eine stabilere und leitfähigere Schutzschicht auf der Anode bildeten.
Die alternden Energiespeicher von Elektrofahrzeugen, Smartphones und Laptops verlieren im Laufe vieler Ladezyklen schleichend an Kapazität. Ein zentrales Problem ist dabei die Schutzschicht, die sich während der ersten Ladevorgänge auf der negativen Elektrode aus Graphit bildet. Japanische Forscher am Japan Advanced Institute of Science and Technology haben nun eine chemische Verbindung vorgestellt, die diesen schädlichen Verschleißprozess massiv verlangsamt.
Die Rolle von FPTI an der Graphit-Anode
Das von der Forschungsgruppe entworfene Molekül trägt den Namen Pentafluorophenylthiophenimin, kurz FPTI. Wenn dieser Zusatz dem herkömmlichen Elektrolyten beigemischt wird, reagiert er bevorzugt während der frühen Zyklen. Dabei entsteht eine wesentlich stabilere und leitfähigere Festkörperelektrolyt-Zwischenschicht, im Fachjargon Solid Electrolyte Interphase oder SEI genannt.
Die SEI-Schicht ist für die Lebensdauer eines Akkus von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglicht es Lithium-Ionen, zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode hin- und herzuwandern, während sie unerwünschte chemische Nebenreaktionen eindämmt. Wird diese Schicht instabil, verbraucht sie aktives Lithium und erhöht den elektrischen Widerstand, was die Kapazität des Akkus schnell schrumpfen lässt.
Messbare Leistungssteigerung nach 1.000 Ladezyklen
Die Wissenschaftler testeten FPTI-Konzentrationen von zwei und vier Milligramm pro Milliliter in den Testzellen. Die Ergebnisse zeigten, dass die chemische Modifikation den Widerstand im Inneren der Schutzschicht drastisch senkt. Auch der Ladungsübertragungswiderstand sank von 41,8 auf 19,8 Ohm.
Verschiedene Bestandteile des FPTI-Moleküls übernehmen dabei unterschiedliche Schutzaufgaben. Verbindungen auf Basis von Schwefel und Imin verbessern die elektrische Leitfähigkeit, während der fluorierte Anteil die Bildung einer reichhaltigen Lithiumfluorid-Schicht begünstigt.
Im Langzeittest zeigte sich der Effekt besonders deutlich. Während unbehandelte Kontrollzellen bereits nach rund 350 Zyklen erhebliche Kapazitätsverluste verzeichneten und am Ende nur noch 62,7 Prozent ihrer Höchstleistung hielten, schnitten die modifizierten Zellen weitaus besser ab. Graphitzellen mit einer Konzentration von zwei Milligramm FPTI pro Milliliter behielten 89,4 Prozent ihrer Kapazität nach 1.000 Zyklen, während die Variante mit vier Milligramm sogar bemerkenswerte 95,6 Prozent erreichte.
Herausforderungen beim Einsatz in vollständigen Batteriezellen
Trotz der starken Ergebnisse bei Halbzellenversuchen stieß das Team um Professor Noriyoshi Matsumi bei vollständigen Batterien auf eine Hürde. Brachten die Forscher das FPTI direkt in den Elektrolyten einer NMC811-Vollzelle ein, erhöhte dies den Widerstand an der positiven Elektrode, der Kathode, was die Gesamtleistung minderte.
Um dieses Problem zu umgehen, passten die Wissenschaftler das Verfahren an. Sie nutzten den Zusatz ausschließlich zur Vorbehandlung der Graphitanode. Nach dem Aufbau der verbesserten Schutzschicht während der Vorkonditionierung wurden die Zellen mit einem Standardelektrolyten zusammengefügt.
Diese zielgerichtete Methode steigerte die Energiedichte der Vollzellen deutlich. Eine mit vier Milligramm FPTI vorbehandelte Zelle erreichte etwa 233 Wattstunden pro Kilogramm, während die Kontrollzelle lediglich bei rund 130 Wattstunden pro Kilogramm lag.
Nächste Schritte für die kommerzielle Anwendung
Die im Fachjournal Energy & Fuels veröffentlichte Untersuchung belegt, dass eine molekulare Kontrolle der Graphitoberfläche die Haltbarkeit gängiger Batteriematerialien massiv verlängern kann, ohne dass der Grundwerkstoff ausgetauscht werden muss.
Ob sich der Ansatz in der industriellen Praxis bewährt, hängt von den kommenden Versuchsphasen ab. Die Forschenden betonen, dass nun Tests in größeren Zellen mit kommerziellen Formaten und unter breiteren Betriebsbedingungen erforderlich sind, um die Praxistauglichkeit der Methode endgültig zu validieren.
