Ein Akku altert dort besonders schnell, wo seine festen Elektroden auf die leitende Flüssigkeit treffen. Ein Forschungsteam um Hun Kim und Yang-Kook Sun hat nun einen Elektrolyten entwickelt, der diese beiden Kontaktflächen früh mit Schutzschichten versieht. Die Mischung erschwert zugleich das Brennen der Flüssigkeit. In Laborzellen verbindet sie damit zwei Ziele, die sich bei Batterien häufig in die Quere kommen: lange Haltbarkeit bei hoher Spannung und ein günstigeres Verhalten unter Hitze.
Die am 17. Oktober in Nature Communications veröffentlichte Studie stammt überwiegend von der südkoreanischen Hanyang University; beteiligt sind außerdem die chinesische Henan University und SES AI in den USA. Ihr Ansatz setzt bei der Chemie im Inneren der Zelle an. Interessant ist dabei, dass die Flüssigkeit an den beiden Elektroden unterschiedliche Aufgaben übernimmt.
Eine Flüssigkeit muss mehr können als Ionen tragen
Beim Laden wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. In einer üblichen Lithium-Ionen-Zelle lagern sie sich dort zwischen Graphitschichten ein. Die Elektronen nehmen währenddessen den Weg durch den äußeren Stromkreis. Damit das über viele Zyklen funktioniert, müssen die Kontaktflächen chemisch stabil bleiben und zugleich Lithium-Ionen passieren lassen.
Übliche organische Lösungsmittel leiten gut, können aber brennen. Schwer entflammbare Alternativen bringen andere Schwierigkeiten mit: Sie können zähflüssiger sein oder an Graphit unerwünscht reagieren. Jede solche Nebenreaktion verbraucht Material, das beim nächsten Laden fehlen kann. Hohe Zellspannungen verschärfen die Belastung besonders an der positiven Elektrode.
Das Team kombiniert deshalb drei Lösungsmittel mit einem gelösten Lithiumsalz. Der Bestandteil Dimethylsulfamoylfluorid, kurz DSF, unterstützt die Schwerentflammbarkeit und den Schutz der positiven Elektrode. Fluorethylencarbonat, kurz FEC, übernimmt vor allem den frühen Schutz des Graphits. Ein dritter Bestandteil hilft, brauchbare Fließeigenschaften und den Ionentransport zu erhalten.
Die erste Reaktion soll spätere Schäden verhindern
Der entscheidende Gedanke klingt zunächst widersprüchlich: Ein Teil der Flüssigkeit soll gezielt reagieren, damit danach weniger unerwünschte Reaktionen stattfinden. An der positiven Elektrode entstehen aus DSF Bestandteile einer stabilisierenden Grenzschicht. Am Graphit reagiert FEC früh genug, um eine schützende Schicht zu bilden, bevor DSF dort stärker zerlegt wird.
Solche Grenzschichten sind keine nachträglich aufgeklebten Folien. Sie entstehen beim anfänglichen Betrieb aus der Elektrolytchemie selbst. Im günstigen Fall wirken sie wie selektive Durchgänge: Lithium-Ionen können weiter ihren Weg nehmen, während die Elektrodenoberflächen weniger direkt mit der umgebenden Flüssigkeit reagieren. Oberflächenanalysen und elektrochemische Messungen der Studie stützen diese Aufgabenteilung.
Wie wichtig die Kombination ist, zeigt ein Vergleich aus der Arbeit: Ein Elektrolyt mit DSF als einzigem Lösungsmittel zersetzte sich an Graphit stark. Die abgestimmte Mischung stabilisierte dagegen auch diese Seite der Zelle. Ein schwer entflammbarer Stoff allein löst somit noch nicht das gesamte Batterieproblem.
Was die Laborzellen nach 500 Zyklen zeigten
Das Team prüfte unter anderem flache Pouchzellen mit Graphit und einer nickelreichen positiven Elektrode. Bei 30 Grad Celsius und einer oberen Ladespannung von 4,4 Volt behielt die neue Mischung nach 500 Lade- und Entladezyklen 91,9 Prozent der ursprünglichen Kapazität. Mit dem konventionellen Vergleichselektrolyten waren es 77,3 Prozent. Die Werte gehören zu diesem Versuchsaufbau mit festgelegten Lade- und Entladeraten.
Bei der Erhitzung untersuchten die Forschenden zusätzlich Zellen der Ein-Amperestunden-Klasse. Mit dem neuen Elektrolyten setzte die schnelle, sich selbst verstärkende Wärmeentwicklung später ein. Die Wärmefreisetzung verteilte sich über einen breiteren Temperaturbereich. Das hilft zu erklären, weshalb der Schutz der positiven Elektrode auch für das thermische Verhalten wichtig ist.
Daneben steht der separate Zündtest der Flüssigkeit, die in der untersuchten Zusammensetzung praktisch sofort selbst verlöschte. Eine vollständige Zelle enthält jedoch weitere reaktive Materialien. Ihr Verhalten bei Überhitzung wird deshalb mit eigenen Messverfahren untersucht. Für die Entwicklung energiereicherer Akkus zeigt die Arbeit einen konkreten Weg: Die Flüssigkeit muss die Oberflächen früh stabilisieren und zugleich die späteren Wärmereaktionen entschärfen. Als Nächstes zählt, wie sich diese Kombination in größeren Zellen und unter den wechselnden Bedingungen realer Anwendungen bewährt.
Quellen
- Hun Kim et al.: Nonflammable sulfamoyl–carbonate hybrid electrolyte for high-voltage lithium batteries via preemptive passivation, Nature Communications, 17. Oktober 2026.
- Akzeptiertes Originalmanuskript mit Messverfahren und Versuchsbedingungen, gleiche Studie.
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