New YorkVor einem Jahr gab es den Chemie-Nobelpreis für drei Forscher, die einst den Grundstein für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie legten, die nahezu überall eingesetzt werden. Das Nobelkomitee sprach von der Schöpfung einer „wiederaufladbaren Welt“. Nun haben Forscher einen Weg gefunden, die Batterien noch langlebiger und sicherer zu machen. Dies könne durch die Zugabe des Metalls Kalium erreicht werden, schreiben sie im Fachmagazin „Cell Reports Physical Science“.

Das Kalium verhindere weitgehend unerwünschte chemische Nebenreaktionen in der Batteriezelle, erklären die Forscher um Lauren Marbella von der Columbia University in New York. Ein Problem der Lithium-Batterie, mit dem sich Forscher auseinandergesetzt haben, sind chemische Reaktionen zwischen der Elektrode (Plus- oder Minuspol) und dem Elektrolyten. Das ist die Substanz, meist eine Flüssigkeit, in der sich Elektronen und Ionen (elektrisch geladene Teilchen) bewegen, was ein Auf- und Entladen der Batterie ermöglicht.

Allerdings hat gerade Lithium die Eigenschaft, sich mit vielen Stoffen in Elektrolyten zu verbinden. Dadurch entsteht eine störende Grenzschicht auf der Elektrode, oder es wachsen metallische Strukturen, Dendriten genannt. Wenn ein solcher Dendrit irgendwann beide Elektroden miteinander verbindet, kommt es zu einem Kurzschluss, auch Brände können entstehen.

Wie die Zusammensetzung der Elektrolyte die Leistung von Lithiummetall-Batterien verbessern kann, untersuchte das Team um die Forscherin Lauren Marbella mithilfe von Kernspinresonanztomografie und Computersimulationen. „Insbesondere haben wir festgestellt, dass Kalium-Ionen die Bildung unerwünschter chemischer Verbindungen abschwächen, die sich auf der Oberfläche von Lithiummetall ablagern und den Transport von Lithium-Ionen während des Ladens und Entladens der Batterie verhindern“, sagt die Forscherin. Das Wachstum der Mikrostrukturen auf den Elektroden werde dadurch begrenzt.

In ihren Untersuchungen verwendeten die Forscher in erster Linie einen häufig verwendeten Elektrolyten namens LP 30. Wenn sie zu diesem eine genau definierte Menge Kaliumhexafluorophosphat hinzugaben, erzielten sie sehr glatte Elektrodenoberflächen. Lithium-Ionen als Träger der elektrischen Ladung können sich dort besser anlagern können. Das Kalium verhindert die unerwünschten chemischen Reaktionen, wird dabei aber nicht verbraucht. Bisher werden den Elektrolyten oft Stoffe zugesetzt, die sich an die unerwünschten Reaktionsprodukte binden. Der Einsatz von Kalium-Ionen biete hingegen einen „alternativen Ansatz“, um Lithium-Batterien zu verbessern, schreiben die Forscher. (dpa/fwt)