Ein Problem, auch mit modernen Akkus, ist ihr Verlust an Performance und Kapazität mit der Zeit infolge chemischer Abnutzung. Das ist, trotz vieler Fortschritte, auch der Grund, warum etwa die Laufzeit von Smartphones bei häufiger Nutzung schon nach zwei bis drei Jahren spürbar abnimmt.

Das sind aber natürlich nicht die einzigen betroffenen Geräte. Dieser Verschleiß macht sich mit der Zeit auch bei Elektroautos bemerkbar. Eine neue Entdeckung durch Forscher der University of New South Wales in Australien und der japanischen Yokohama National University gibt nun Grund zur Hoffnung, dass dieses Problem in Zukunft gelöst wird.

Testlauf für Vanadium

Sie haben lithiumhaltige Vanadium-Oxide mit ungeordneter Salzgitterstruktur als Option für die positiven Elektroden (Kathoden) erprobt. In Kombination mit einem optimierten Elektrolyt erzielte man dabei nicht nur hohe Energiedichten von bis zu 750 Wattstunden pro Kilogramm (konventionelle Lithium-Ionen-Akkus in E-Autos erreichen aktuell etwa 120 Wh/kg), sondern auch beachtliche Resilienz gegen Abnutzung.

Eine experimentelle Feststoffbatterien mit sulfitbasiertem Elektrolyt lieferte eine Ladungsdichte von 300 mAh/g. Auch nach 400 Lade- und Entladezyklen behielt sie diese weiter bei. Wichtig dabei ist auch die geringe Schrumpfung und Ausdehnung der Kathode. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bleibt ihr Volumen in voll geladenem wie auch entladenen Zustand annähernd gleich. Durch weitere Optimierung des Elektrolyts ließe sich nach Ansicht des Teams ein "dimensional unveränderliches" Material entwickeln.

"Überlegene Performance"

"Das Fehlen von Kapazitätsverlusten nach 400 Ladezyklen ist ein Indiz für die überlegene Performance dieses Materials im Vergleich mit konventionellen Feststoffzellen mit Schichtaufbau", erklärt dazu Neeraj Sharma, der das Paper zur Arbeit gemeinsam mit Takuhiro Miyuki verfasst hat. "Diese Entdeckung könnte Akkukosten drastisch reduzieren. Die Entwicklung praktischer, hochperformanter Feststoffbatterien könnte auch zur Entwicklung fortgeschrittener elektrischer Fahrzeuge führen."

Auch für eine weitere Hürde, mit der E-Autos noch zu kämpfen haben, kann sich diese Erfindung noch als wichtig erweisen, sagt Forschungsleiter Naoaki Yabuuchi. Weitere Verbesserungen solcher dimensional stabiler Materialien bieten Potenzial für viel schnelleres Aufladen. Ladestationen mit entsprechender Leistung vorausgesetzt, sei durchaus vorstellbar, dass neue Generationen von E-Autos sich in fünf Minuten aufladen lassen.

Das Paper zum Projekt ist im Journal "Nature Materials" erschienen. (gpi, 16.12.2022)