Neues Konzept für Batterien

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Ein neues Konzept für Batterien haben Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt. Basierend auf einem Fluorid-Shuttle – der Übertragung von Fluorid-Anionen zwischen den Elektroden – verspricht die “Fluorid-Ionen-Batterie” nach Angaben des KIT ein Mehrfaches der Speicherkapazität, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien möglich ist.

Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet – doch ihre Speicherkapazität ist begrenzt. In Zukunft werden, vor allem für mobile Anwendungen, Batteriesysteme mit höherer Energiedichte gefragt sein, die bei geringerem Gewicht mehr Energie speichern können.

Aufbau der Fluorid-Ionen-Batterie: Ein fluoridhaltiger Elektrolyt trennt die Anode aus Metall und die Kathode aus Metallfluorid. (Bild: KIT)
Aufbau der Fluorid-Ionen-Batterie: Ein fluoridhaltiger Elektrolyt trennt die Anode aus Metall und die Kathode aus Metallfluorid. (Bild: KIT)

Wissenschaftler des KIT forschen daher an alternativen Systemen und haben ein neues Konzept entwickelt, das auf Metallfluoriden basiert. Metallfluoride ermöglichen Lithium-freie Batterien, die eine höhere Speicherkapazität und bessere Sicherheitseigenschaften als Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei übernimmt das Fluorid-Anion anstelle des Lithium-Kations den Ladungstransfer. An Kathode und Anode kommt es jeweils zur Bildung eines Metallfluorids oder zu dessen Reduktion.

“Da sich mehrere Elektronen pro Metallatom übertragen lassen, erlaubt dieses Konzept außerordentlich hohe Energiedichten – bis zu zehn Mal so hoch wie bei gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien”, sagt Dr. Maximilian Fichtner, Leiter der KIT-Gruppe Energiespeichersysteme. Die Forscher arbeiten nun daran, das Materialdesign und die Architektur der Fluorid-Ionen-Batterie zu verbessern.

Eine Herausforderung liegt in der Weiterentwicklung des Elektrolyten: Der bis jetzt eingesetzte Feststoffelektrolyt eignet sich nur für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen. Ziel ist es, einen Flüssigelektrolyten zur Anwendung bei Raumtemperatur zu finden. In der Zeitschrift ‘Journal of Materials Chemistry’ stellen Dr. Fichtner und Dr. Munnangi Anji Reddy die Fluorid-Ionen-Batterie vor (DOI: 10.1039/C1JM13535J).