Lithium-Metall-Anoden können dank ihrer hohen Kapazität bei gleichzeitig niedrigem Redox-Potenzial prinzipiell dazu beitragen, die Kapazität und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Den Experten des Zulieferers Toray zufolge führt das in der Praxis allerdings zu Problemen: Während des Ladevorgangs bilden sich entlang der Poren auf der Separator-Oberfläche Lithium-Dendriten.
Das Problem
Diese nadelförmigen Strukturen durchdringen die mikroporösen Folien, verursachen Kurzschlüsse und beeinträchtigen somit die Sicherheit der Batterien. Zugleich ist die Kapazität der Batterietypen mit Lithium-Metall-Anoden so hoch, dass Separatoren mit erhöhter Hitzebeständigkeit und thermischer Stabilität notwendig sind. Bis dato lassen sich solche Separator-Eigenschaften durch das Eliminieren der Separator-Poren verhindern – mit dem Nachteil einer stark reduzierten Lithium-Ionen-Durchlässigkeit.
Die Lösung
Dieses Dilemma will der Zulieferer Toray nun mit einer nichtporösen Separator-Folie lösen. Angaben zufolge unterdrückt diese die Dendritenbildung in Lithium-Metall-Anoden und erhält zugleich die Ionenleitfähigkeit. Dafür setzt das Unternehmen auf das molekulare Design von Aramid, ein Polymer mit vergleichsweise hoher Wärmebeständigkeit und höherer Steifigkeit. Die besondere Struktur des Werkstoffs erlaubt es, so Toray, die Abstände zwischen den Molekülketten sowie die Affinität zu Lithium-Ionen genau zu kontrollieren.
Dadurch entsteht ein hochgradig ionenleitfähiges Polymer mit deutlich besserer Hitzebeständigkeit. Als porenfreie Schicht auf eine mikroporöse Separator-Folie aufgetragen, entstehe so ein nichtporöser Separator, der das Wachstum von Dendriten unterdrückt und somit Kurzschlüsse verhindert, teilt der Zulieferer mit. Dies habe zur Folge, dass die Batterie auch noch nach über 100 Lade-/Entladezyklen mehr als 80 Prozent der Kapazität behält. In enger Zusammenarbeit mit Batterieherstellern plant Toray, das Produkt innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre zur Marktreife zu bringen.
Torsten Schmidt
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