- Neuartiger Zellulose-Separator mit Bikitaitit steigert die Leistung von Lithium-Metall-Batterien.
- CBT-Separator erhöht die Batteriekapazität bei hohen Entladeraten deutlich – Verbesserung um rund 42 Prozent.
- Der optimierte Separator hilft, die Lithiumabscheidung zu kontrollieren und Dendritenwachstum zu vermeiden.
- Die Technologie ist an bestehende Batterieproduktionslinien anpassbar und besitzt kommerzielles Potenzial.
Ein neuartiger Zellulose-Separator mit eingelagertem Bikitaitit ermöglicht Lithium-Metall-Batterien ein zuverlässiges Schnellzyklisieren und verbessert gleichzeitig die Leistung einer nickelreichen NCM90-Kathode. Forschende aus Südkorea haben herausgefunden, dass der Separator bei hohen Entladeraten die Kapazität erhöht und wirksam die Bildung von Dendriten auf der Lithium-Metall-Anode verhindert. Der sogenannte CBT-Separator nutzt eine poröse Zellulosestruktur in Kombination mit Bikitaitit, einem Zeolith-Mineral. Gemeinsam schaffen sie Kanäle, durch die Lithium-Ionen gleichmäßiger in der Batterie wandern können. Dies ist entscheidend für Lithium-Metall-Batterien, da sie zwar eine höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien bieten, bei hohen Entladeraten jedoch nach wie vor Schwierigkeiten bereiten.
Ungleichmäßige Lithiumabscheidung kann Dendriten hervorrufen, während der Abbau des Elektrolyts die Leistung mindert und das Kurzschlussrisiko erhöht.
Leistungssteigerung des CBT-Separators
Das von Professor Sun-Woo Liu von der Hanyang-Universität geleitete Forschungsteam stellte fest, dass der optimierte Separator zugleich ein Problem auf der Kathodenseite adressiert: Hohe Entladeraten können zu einem drastischen Einbruch der nutzbaren Kapazität führen. Der CBT-Separator erreicht eine Ionenleitfähigkeit von 3,45 × 10⁻³ S cm⁻¹ und eine Lithium-Ionen-Übertragungszahl von 0,742. Die Forschenden führen diese Eigenschaften auf einen schnelleren und gleichmäßigeren Ionentransport zurück, wodurch die Polarisation unter anspruchsvollen Lade- und Entladebedingungen verringert wird. Bei einer Entladerate von 1C liefern sowohl Batterien mit CBT-Separator als auch mit herkömmlichem Polyethylen-Separator etwa 197 mAh g⁻¹.
Bei höheren Entladeraten vergrößert sich der Abstand jedoch. Bei 2C erreicht der CBT-Separator 187 mAh g⁻¹ gegenüber 165 mAh g⁻¹ mit dem herkömmlichen Separator. Bei 4C erreicht die NCM90-Kathode mit CBT 163 mAh g⁻¹, während der herkömmliche Separator lediglich 115 mAh g⁻¹ liefert. Dies entspricht einer Verbesserung von rund 42 Prozent und zeigt, dass der Separator nicht nur die Anodenstabilität beeinflusst, sondern auch die Kathodenleistung steigert.
Potenzial des optimierten Separators
Professor Liu erklärte: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Steigerung der Batterieleistung nicht allein von neuen Kathoden- und Anodenmaterialien abhängt, sondern auch durch Separator-Engineering erreicht werden kann. Besonders interessant ist, dass sich die Wirkung des optimierten Separators bis zur Lithium-Metall-Anode erstreckt und die Hochentladungsleistung der NCM90-Kathode deutlich verbessert." Der Separator trägt zudem zur Kontrolle der Lithiumabscheidung bei. Echtzeitbeobachtungen zeigen, dass in Batterien mit CBT kein sichtbares Dendritenwachstum auftritt. Stattdessen bildet das Lithium eine glattere, dichtere Schicht, die beim Stripping gleichmäßiger abgetragen wird. Diese Batterien behalten nach 2500 Zyklen bei 2C/4C rund 60 Prozent ihrer Kapazität.
Bei -25 °C (-13 °F) hält der Separator nach 150 Zyklen noch rund 68,9 Prozent seiner Kapazität und bleibt bei 200 °C (392 °F) stabil.
Dieser Ansatz umgeht eine Neugestaltung der Elektroden und lässt sich potenziell in bestehende Batterieproduktionslinien integrieren. Er muss allerdings noch in kommerziellen Pouch- und Rundzellen erprobt werden. Professor Liu betonte: „Funktionale Separatoren sollten nicht lediglich als Barriere zwischen zwei Elektroden oder allein zum Schutz der Lithium-Metall-Anode betrachtet werden. Durch die Steuerung des Ionentransports innerhalb der Batterie haben sie das Potenzial, zu einem zentralen Designelement für die nächste Generation von Batterien zu werden, die gleichzeitig hohe Energiedichte und hohe Entladeleistung vereinen." Die Studie wurde im Journal „Advanced Functional Materials" veröffentlicht.
Kennwert Spezifikation Ionenleitfähigkeit 3,45 × 10⁻³ S cm⁻¹ Lithium-Ionen-Übertragungszahl 0,742 Kapazität bei 2C 187 mAh g⁻¹ Kapazität bei 4C 163 mAh g⁻¹
Auswirkungen des neuartigen Separators auf die Batterietechnik
Die Entwicklung des CBT-Separators unterstreicht die Bedeutung des Separator-Engineerings für die Leistungssteigerung von Lithium-Metall-Batterien. Herkömmliche Batterieentwürfe konzentrieren sich häufig ausschließlich auf die Elektrodenmaterialien, doch diese Studie hebt die Schlüsselrolle des Separators für Betriebsstabilität und Leistung der Batterie hervor. Durch die Optimierung des Separators lässt sich nicht nur die Kapazität steigern, sondern auch die Lithiumabscheidung wirksam kontrollieren und die Dendritenbildung reduzieren – ein entscheidender Faktor für die Kommerzialisierung von Batterien mit hoher Energiedichte. Mit zunehmender Reife dieser Technologie sind künftig breite Anwendungen in verschiedenen Batterieformaten zu erwarten.