Lithium-Metall-Batterien können bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie speichern als die Lithium-Ionen-Zellen in heutigen Handys und Autos. Das macht sie zu einem der meistbeachteten Kandidaten für Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite und leichtere Elektronik. Ihre Schwäche war bislang die Ausdauer: Der flüssige Elektrolyt, der die Ladung transportiert, neigt dazu, sich dort zu zersetzen, wo er auf die Elektroden trifft, sodass die Zelle mit jedem Ladevorgang ein wenig nachlässt.
Im Fachjournal Nature beschreibt eine Gruppe um Zhou Haoshen von der Universität Nanjing am 8. Juli einen Elektrolyten, der einen Großteil dieses Verschleißes umgeht. Ihre Lösung ist ein Molekül, das sie als zielgerichtetes Liganden-Antisolvens bezeichnen, ein Bestandteil, der sich die meiste Zeit zurückhält und am Transport der Lithium-Ionen kaum beteiligt ist.
Das Problem, das er angeht, tritt beim Laden auf. Wenn Lithium die positive Elektrode verlässt, müssen die umgebenden Lösungsmittel- und Salzmoleküle ihren Griff um jedes Ion lösen und neu aufbauen. Dieses ständige Umsortieren treibt den Elektrolyten dazu, sich über Hunderte von Zyklen zu zersetzen und auszudünnen. Der Erstautor Yang Wujie vergleicht den herkömmlichen Ablauf mit einer Kette von Menschen, die sich an den Händen halten und an der Elektrodenoberfläche zum Loslassen gezwungen werden.
Ein Zusatzstoff, der nur dort aufwacht, wo er gebraucht wird
Der neue Zusatzstoff bleibt in der Flüssigkeit untätig, weil er Lithium nur schwach bindet. Doch das starke elektrische Feld unmittelbar an der ladenden Elektrode verändert die Ausrichtung der Moleküle und schaltet genau dort ihre Fähigkeit frei, Lithium zu koordinieren. Der Zusatzstoff springt gewissermaßen ein, um die von der Elektrode freigesetzten Ionen aufzufangen, sodass dem übrigen Elektrolyten der destabilisierende Kreislauf aus Loslassen und Neubinden erspart bleibt. Da er nur in einer dünnen Zone nahe der Oberfläche wirkt, stört er den normalen Betrieb anderswo nicht.
In Pouch-Zellen zeigte sich der Nutzen deutlich. Eine mit 450 Wattstunden pro Kilogramm bewertete Zelle lief über 750 Zyklen und behielt dabei 80 Prozent ihrer Kapazität; eine dichtere Variante mit 605 Wh/kg hielt nach 150 Zyklen noch 96 Prozent. Zum Vergleich: Die Batterien heutiger Elektro-Pkw liegen bei etwa 200 Wh/kg.
Das Team versteht die Arbeit weniger als ein einzelnes Rezept denn als ein Gestaltungsprinzip. „Frühere Studien betrachteten vor allem die statische Solvatationsstruktur", sagte Zhou; diese wende sich stattdessen dem dynamischen Solvatationsverhalten an der Grenzfläche zu, ein Gedanke, der nach Ansicht der Autoren auch Elektrolyte für andere Alkalimetall-Batterien anleiten könnte.