Lithium- (Li-)-Ionen sind von zentraler Bedeutung für die Energiespeicherfunktion von wiederaufladbaren Batterien: Die derzeitige Technologie stützt sich auf hochentwickelte Elektrodenmaterialien, die Li-Ionen enthalten und sie genau schützen, um eine angemessene Lebensdauer zu gewährleisten. Doch das bedeute auch, dass die Batterie versagt, wenn die aktiven Li-Ionen verbraucht sind. Das Resultat: Schwer recycelbarer Elektroschrott.
Da Lithium-Ionen-Batterien im Alltag weit verbreitet sind, ist das Recycling sowie die Lebensverlängerung von Batterien in großem Maßstab trotz dieser Probleme unbedingt nötig. Um das Problem zu lösen, entwickelte ein Team der Fudan-Universität um Peng Huisheng und Gao Yue eine „Präzisionsmedizin für Lithium-Ionen-Batterien“, mit der ausfallende Batterien aufgefrischt und deren Lebensdauer verlängert werden kann.
Dazu fanden und synthetisierten sie, mithilfe maschinellen Lernens, das Lithium-Ionen-Trägermolekül LiSO₂CF₃. Das Molekül wurde in zusammengesetzte, abgenutzte Batterien injiziert. Als es der Zelle zugefügt wurde, löste es sich im Elektrolyten auf, setzte Li-Ionen frei und wurde als Gas ausgestoßen. Das Verfahren kann als „nicht-invasiv“ bezeichnet werden, da es die Integrität der Zelle bewahrt, ohne dass sie zerlegt werden muss. Die Forscher gehen davon aus, dass die Technologie die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien von derzeit 500 bis 2.000 Zyklen auf einen bisher unerreichten Bereich von 12.000 bis 60.000 Zyklen verlängern könnte
Mehrere Testreihen bestätigen Ergebnis
Als Proof-of-Concept wurde das Verfahren an mehreren Batterien getestet: „Wir haben eine 3,0 V, 1.192 Wh kg-1 Li-freie Kathode, Chromoxid, in der anodenlosen Zelle sowie eine organische, geschwefelte Polyacrylnitril-Kathode in einer 388 Wh kg-1 Pouch-Zelle mit einer Lebensdauer von 440 Zyklen demonstriert. Diese Systeme weisen im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte, eine größere Nachhaltigkeit und geringere Kosten auf. Darüber hinaus wurde die Lebensdauer von kommerziellen LiFePO4-Batterien um mindestens eine Größenordnung verlängert. Bei wiederholter externer Li-Zufuhr zeigte eine kommerzielle Graphit-LiFePO4-Zelle nach 11.818 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von 96,0 Prozent“, fasste das Team den Versuchsverlauf zusammen.
„Die neue Lösung verzögert nicht nur die Ausmusterung von Batterien, sondern verringert auch die Ressourcenverschwendung und Umweltverschmutzung“, sagte Gao.
Obwohl die ersten Versuchsverläufe vielversprechend sind, gibt es noch viel zu tun: Derzeit arbeitet das Forscherteam mit internationalen Batterieherstellern zusammen, um die Produktion der neuen Lithium-Trägermoleküle hochzuskalieren und die Markteinführung zu beschleunigen. Außerdem ist bisher nicht klar, ob sich die Technik auf die heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien in Smartphones und Laptops übertragen lässt. Sollte das Verfahren erfolgreich weiterentwickelt werden, könnte es aber eine Veränderung in der Batterietechnik auslösen: Akkus könnten sie dann immer wieder mit frischem Lithium „aufgeladen“ statt weggeworfen werden.
