Neuer Elektrolyt kann dazu beitragen, dass Batterien von Elektrofahrzeugen der Kälte standhalten

Die im Laufe der Jahre zunehmende Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien hat zu Elektrofahrzeugen mit größerer Reichweite geführt. Doch mit den Temperaturen im Winter sinkt auch die Reichweite. Dieser Leistungsabfall der Batterie ist einer der Gründe, die Kunden oft nennen, warum sie kein Elektrofahrzeug kaufen wollen.

Durch die Neugestaltung des Batterieelektrolyten ist es Forschern nun gelungen, eine Batterie herzustellen, die bei Temperaturen bis zu -20 °C funktioniert. Im Vergleich zu anderen Kaltwetterbatterien, über die Forscher bisher berichtet haben, hat diese eine rekordverdächtige Lebensdauer von über einem Jahr.

Heutige Batterien funktionieren gut bei Temperaturen zwischen 0 °C und 40 °C. Für einen breiteren Einsatz streben Entwickler danach, Batterien herzustellen, die in einem größeren Temperaturbereich von -40 °C bis 60 °C funktionieren. „Die hohe Energiedichte und die lange Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen sind der Schlüssel zur Entwicklung klimatauglicher Elektrofahrzeuge“, sagt Chong Yan vom Beijing Institute of Technology.

Damit die Batterien heute auch in der Kälte funktionieren, fügen die Hersteller eine externe Isolierung und Wärme hinzu. Aber dadurch entsteht auch mehr Masse, und das Schleppen dieses zusätzlichen Gewichts verringert die Reichweite. Außerdem ist es nicht ideal für Kaltwetterbatterien für gewichtsempfindliche Anwendungen wie Drohnen und Satelliten in großen Höhen.

Viele Forscher versuchen, die Batterieleistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, indem sie sich auf die Elektrolyte konzentrieren, die Lithiumionen zwischen Batterieelektroden transportieren. Kalte Temperaturen verdicken diese Elektrolyte, sodass sich die Ionen langsamer bewegen, was zu Kapazitätsverlust und langsamer Aufladung führt. Einige Teams haben kürzlich Niedertemperaturlösungsmittel zur Herstellung von Elektrolyten verwendet oder chemische Zusätze in den Elektrolyten getestet, die zur Verbesserung ihrer Kältetoleranz beitragen. Andere haben völlig neue Elektrolyte entwickelt, die einem breiten Temperaturbereich standhalten.

Yan konzentrierte sich zusammen mit Qiang Zhang von der Tsinghua-Universität und ihren Kollegen auf den Niedertemperatur-Lösungsmittelansatz. Während solche Lösungsmittel die Leistung bei kaltem Wetter verbessern, erzeugen sie bekanntermaßen bei hohen Temperaturen Gase, die die Batterielebensdauer verkürzen. „Dennoch sind der Gaserzeugungsmechanismus und die entsprechende Hemmstrategie noch unbekannt“, sagt Yan.

In ihrem in der Fachzeitschrift Matter veröffentlichten Artikel enthüllen die Forscher nun den Mechanismus hinter dieser Gaserzeugung und schlagen einen neuen hochkonzentrierten Elektrolyten vor, den sie als Lösung für das Problem entwickelt haben.

Sie fanden heraus, dass die Lithiumbeschichtung – die Ansammlung von Lithiummetall auf der Oberfläche der Graphitanode der Batterie – die Ursache für die Gasbildung ist. Da sich Lithiumionen bei Wintertemperaturen langsam bewegen, neigen sie dazu, beim Eintritt aus dem Elektrolyten in den Graphit zu drängen, sodass sich schließlich etwas Lithiummetall an der Oberfläche ansammelt. Die Forscher fanden heraus, dass das häufig verwendete Niedertemperaturlösungsmittel Ethylacetat heftig mit diesem plattierten Lithium reagiert, was zur Bildung von Wasserstoff- und Ethangasen führt. Der durch die Gasansammlung entstehende Druck reißt schließlich die Elektroden auf und führt zum Ausfall der Batterie.

Um dieser Gasbildung entgegenzuwirken, stellten die Forscher einen Elektrolyten her, indem sie eine größere Menge Lithiumsalze als üblich in einem Lösungsmittel aus 90 Prozent Ethylacetat und 10 Prozent Fluorethylencarbonat auflösten.

Mit diesem Elektrolyten, einer Graphitanode und einer NMC811-Kathode, die zu 80 Prozent aus Nickel, zu 10 Prozent aus Kobalt und zu 10 Prozent aus Mangan besteht, stellten die Forscher dann eine Batteriezelle her. NMC811-Kathoden werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und des minimalen Einsatzes von teurem Kobalt in heutigen Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien verwendet.

„Alle von uns verwendeten Materialien sind im Handel erhältlich und der vorgeschlagene Elektrolyt lässt sich sinnvoll in großem Maßstab herstellen“, sagt Yan und macht den neuen Ansatz leicht auf die heute gängigen Batteriechemien und Herstellungsprozesse anwendbar.

Die Forscher zeigen, dass der Einsatz von Ethylacetat als Hauptlösungsmittel den Betrieb der Batteriezelle bei Temperaturen bis zu -40 °C aufrechterhält. Das Lithiumsalz reagiert unterdessen mit dem Fluorethylencarbonat und bildet eine feste Schicht auf der Anode, die Lithiumionen leitet, aber auch jegliches metallische Lithium schützt, das unweigerlich die Oberfläche überzieht. Die Schutzschicht verhindert, dass das plattierte Lithium mit dem Ethylacetat reagiert und Gase bildet.

In Tests behielten die Zellen bei -40 °C mehr als drei Viertel ihrer Raumtemperaturkapazität. Und sie könnten über 1.400 Zyklen lang aufgeladen werden, was der durchschnittlichen Anzahl an Ladezyklen entspricht, die eine Batterie im Laufe eines Jahres durchläuft.

Allerdings gebe es noch immer Engpässe zu überwinden, sagt Yan. Der Elektrolyt ist im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyten relativ teuer und die Batterie arbeitet bei Temperaturen unter -50 °C nicht effizient. Daher plant das Team nun, „die Konzentration des Lithiumsalzes und die Art des Lösungsmittels weiter zu optimieren, um die Kosten des Elektrolyten zu senken“ und die Leistung bei niedrigeren Temperaturen zu verbessern.