Lithium-Ionen-Batterien – ein Rückblick

Von Arumugam Manthiram, (University of Texas) in Nature Communications

Abstract

Lithium-Ionen-Batterien haben die Revolution der tragbaren Elektronik seit fast drei Jahrzehnten getragen. Nun ermöglichen sie die Elektrifizierung von Fahrzeugen und beginnen, in die Versorgungsindustrie einzusteigen. Das Aufkommen und die Dominanz von Lithium-Ionen-Batterien sind auf ihre höhere Energiedichte im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batteriesystemen zurückzuführen, die durch die Konstruktion und Entwicklung von Elektrodenmaterialien mit hoher Energiedichte ermöglicht wurde. Die wissenschaftliche Grundlagenforschung, eingeschlossen Festkörperchemie und -physik standen im Mittelpunkt dieser Bemühungen, vor allem in den 70er und 80er Jahren.

Mit der Verleihung des Chemie-Nobelpreises 2019 für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ist es der Mühe wert, auf die Entwicklung der Kathodenchemie zurückzublicken, welche die moderne Lithium-Ionen-Technologie erst möglich machte. Dieser Übersichtsartikel bietet (leicht gekürzt) eine Reflexion darüber, wie grundlegende Studien die Entdeckung, Optimierung und rationale Gestaltung von drei Hauptkategorien von Oxidkathoden für Lithium-Ionen-Batterien erleichtert haben, sowie eine persönliche Perspektive auf die Zukunft dieses wichtigen Bereichs.

Einführung

Lithium-Ionen-Batterien sind zu einem integralen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden und treiben Mobiltelefone und Laptops an, welche die moderne Gesellschaft revolutioniert haben. Sie stehen nun kurz davor, den Transportsektor mit Elektroautos, Bussen und Fahrrädern umzukrempeln. Es wird auch erwartet, dass sie entscheidend dazu beitragen werden, die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen durch Erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind zu ersetzen und so einen saubereren und nachhaltigeren Planeten zu schaffen. Die Verleihung des Nobelpreises für Chemie 2019 an John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino bestärkt diese Feststellung.

Die bisherige Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist das Ergebnis einer konzertierten Anstrengung auf dem Gebiet der grundlegenden Festkörperchemie von Materialien seit fast einem halben Jahrhundert. Die Entdeckung neuer Materialien und die Vertiefung unseres grundlegenden Verständnisses der Beziehungen ihrer Struktur, Zusammensetzung, Eigenschaften und Leistungen haben eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung dieses Bereichs gespielt. Unter den verschiedenen Komponenten einer Lithium-Ionen-Zelle begrenzen die Kathoden (positive Elektroden) derzeit die Energiedichte und dominieren die Batteriekosten. Es ist interessant zu erkennen, dass alle drei führenden Oxidkathoden-Chemikalien (Schicht-, Spinell- und Polyanion-Familien), die derzeit verwendet werden, aus der Gruppe von John Goodenough an der Universität Oxford in England und an der Universität von Texas in Austin (USA) stammen. Es ist an der Zeit, einen tiefen Blick auf die Entwicklung der Kathodenchemie von Lithium-Ionen-Batterien zu werfen und darüber nachzudenken, was der Zweck dieses Übersichtsartikels ist. Der Artikel wird als Aufklärung darüber dienen, wie Beiträge junger und erfahrener Köpfe kollektiv zusammenwirken können, um in Wissenschaft und Technologie wahre Wunder zu vollbringen und neue Generationen zu Entdeckungen durch wissenschaftliche Grundlagenforschung zu inspirieren.

Die Geburt der wiederaufladbaren Lithium-Batterien

Die Interkalationschemie, bei der Reaktionen zwischen Gastmolekülen oder Ionen mit festen Wirten ablaufen, ist seit fast 180 Jahren bekannt. P. Schauffautl hat 1841 als erster die Einlagerung von Sulfationen in Graphit gezeigt. Das Interesse an Interkalationsmaterialien wurde jedoch erst in den 60er Jahren deutlich, insbesondere im Hinblick auf die Veränderung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Materialien durch Gastioneneinlagerung. Einige wenige Übergangsmetalldisulfide MS2 sowie Oxide wie WO3 wurden durch Einlagerung von A = H+, Li+ und Na+-Ionen untersucht. Die Einlagerung dieser einwertigen Ionen in WO3 zur Herstellung von AxWO3 veränderte beispielsweise die elektronische Leitfähigkeit vom Isolator über den Halbleiter bis hin zum Metall in Abhängigkeit vom Wert von x. Diese Einlagerungsreaktionen gingen auch mit strukturellen Veränderungen mit reicher Kristallchemie einher.

Nachdem die chemischen Interkalationsreaktionen an Metalldisulfiden stattgefunden hatten, demonstrierte Whittingham bei der Exxon Corporation in den USA die erste wiederaufladbare Lithiumbatterie mit einer TiS2-Kathode, einer Lithium-Metall-Anode und einem flüssigen Elektrolyten, in dem ein Lithiumsalz wie LiClO4 in einem organischen Lösungsmittel wie Dimethoxyethan (Glyme) und Tetrahydrofuran (THF) gelöst wurde. Die Li-TiS2-Zelle zeigte eine Entladungsspannung von <2,5 V mit guter Reversibilität für ein Lithium pro TiS2-Molekül. Im Anschluss an die Demonstration mit TiS2 wurde eine Reihe von Metalldichalcogeniden von verschiedenen Gruppen als Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien untersucht. Es gab jedoch zwei wesentliche Probleme: Erstens war die Zellspannung auf <2,5 V limitiert, wodurch die Energiedichte begrenzt wurde. Zweitens verursachte das Wachstum von Dendriten auf Lithium-Metall-Anoden während des Zellzyklus einen internen Kurzschluss und stellte eine Brandgefahr dar. Tatsächlich gab es Versuche, Zellen, die aus Sulfidkathoden und Lithium-Metall-Anoden bestanden, auf den Markt zu bringen, aber sie wurden dann aus Sicherheitsgründen aufgegeben.

Folgt: Die Entdeckung der Oxidkathoden