Wer ein Elektroauto in wenigen Minuten laden will, stößt auf ein physikalisches Problem in der Zelle selbst. Beim Schnellladen kommen die Lithiumionen nicht rasch genug in die Anode und schlagen sich stattdessen als metallischer Belag auf deren Oberfläche nieder. Ein Team aus Südkorea hat nun ein Anodenmaterial entwickelt, dessen Zusammensetzung absichtlich vom idealen Verhältnis abweicht. Genau diese Unregelmäßigkeit erzeugt an der Kornoberfläche Bereiche, die den Ionentransport beschleunigen.
In heutigen Zellen besteht die Anode fast immer aus Graphit. Beim Laden wandern Lithiumionen aus der Kathode durch den Elektrolyten und schieben sich zwischen die Kohlenstoffschichten. Dieser Einlagerungsvorgang hat eine Obergrenze, und wird sie durch hohe Stromstärken beim Schnellladen überschritten, staut sich das Lithium an der Grenzfläche. Statt einzuwandern, wird es dort zu metallischem Lithium reduziert und lagert sich als Belag ab, was die Fachwelt als Lithium-Plating bezeichnet. Die Folge sind dauerhafter Kapazitätsverlust, eine instabile Deckschicht auf der Elektrode und im ungünstigen Fall nadelförmige Auswüchse, die einen inneren Kurzschluss verursachen können. Hintergründe und weitere Entwicklungen rund um den Akku als zentrale Speichertechnologie gibt es fortlaufend.
Deshalb sucht die Materialforschung seit Jahren nach Anoden, die bei höherer Spannung arbeiten und den kritischen Punkt gar nicht erst erreichen. Ein aussichtsreicher Kandidat ist Lithium-Titan-Phosphat mit einer Kristallstruktur, die als NASICON bezeichnet wird und ursprünglich als Natriumleiter bekannt wurde. Dieses Gitter ist thermisch und mechanisch außergewöhnlich robust und enthält offene Kanäle, durch die Lithiumionen schnell wandern können. In der Praxis blieb das Material dennoch hinter den Erwartungen zurück, weil der Übertritt der Ionen aus dem Elektrolyten in das Korn eine hohe Energiebarriere überwinden muss. Dass Grenzflächen über die Ladegeschwindigkeit entscheiden, zeigte auch eine Arbeit, nach der Elektroautos bei Kälte deutlich schneller laden können.
Der Engpass liegt also nicht im Kristall, sondern an seiner Oberfläche. Solange die Ionen dort langsamer eintreten, als der Ladestrom sie antransportiert, entsteht ein Rückstau, und der Weg in die Metallabscheidung wird thermodynamisch attraktiver als der Weg ins Gitter. Übliche Gegenmaßnahmen bestehen darin, die Partikel zu verkleinern oder sie mit einer leitfähigen Schicht zu überziehen. Beides bringt Nachteile mit sich, denn kleinere Körner vergrößern die reaktive Fläche und beschleunigen die Zersetzung des Elektrolyten, während zusätzliche Beschichtungen den Fertigungsaufwand erhöhen und im Betrieb abplatzen können. Das koreanische Team wählte deshalb einen anderen Ansatz und veränderte nicht die Hülle des Korns, sondern die Zusammensetzung des Materials selbst.
Konkret erhöhten die Forscher den Anteil an Phosphor gegenüber Titan und erzeugten damit eine gezielte Titanunterversorgung. In der Folge bilden sich dicht unter der Oberfläche der Partikel eigenständige Bereiche aus Titanphosphat. Diese Zonen wirken wie Schleusen, senken die Energiebarriere am Übergang zum Elektrolyten und beschleunigen den Eintritt der Lithiumionen deutlich. Zusätzlich enthalten sie Phosphor-Sauerstoff-Phosphor-Verbindungen, die dem Gitter mechanische Nachgiebigkeit verleihen und die Volumenänderungen beim wiederholten schnellen Laden abfangen. Das NASICON-Gerüst bleibt dadurch länger intakt. Die Veröffentlichung in Advanced Functional Materials beschreibt das Prinzip als spontane Phasenumwandlung an der Kornoberfläche.
In den Messungen behielt die veränderte Anode bei einer Laderate von 10C noch 86 Prozent ihrer Ausgangskapazität. Eine Rate von 10C bedeutet, dass die gesamte Kapazität rechnerisch in einem Zehntel einer Stunde übertragen wird, was einer Ladezeit von sechs Minuten entspricht. Über mehr als 250 Ladezyklen blieb das Verhalten stabil, und in Vollzellen ließ sich das Material mit gängigen Hochvolt-Kathoden kombinieren, ohne dass die Chemie angepasst werden musste. Der Studienleiter sieht darin ein übertragbares Konstruktionsprinzip, das auch für Feststoffbatterien infrage kommt. Offen bleiben Fragen nach Energiedichte, Kosten und Serienfertigung, denn Titan-Phosphat-Anoden liefern pro Kilogramm weniger Kapazität als Graphit. Ähnliche Grenzen zeigten sich bereits bei früheren Ansätzen für extrem schnell ladende Lithium-Ionen-Batterien.
Advanced Functional Materials, Unlocking Ultrafast Charging: Synergizing Embedded Pseudocapacitive Domains and Flexible Lattice Dynamics in Off-Stoichiometric LiTi2(PO4)3 Anodes; doi:10.1002/adfm.76250