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Dünne Kohlenstoffschichten machen Lithium-Metall-Batterien langlebiger
Mehr Energie bei geringerem Gewicht: Lithium-Metall-Batterien gelten als Kandidaten für leistungsfähigere Akkus, doch ihre Lebensdauer bleibt eine Hürde. Ein neues Forschungsprojekt prüft nun, ob dünne Schichten aus amorphem Kohlenstoff die empfindlichen Grenzflächen dieser Batterien stabilisieren können. Ob das funktioniert, sollen Vergleiche mit Referenzzellen zeigen.
Braunschweig (Deutschland). In vielen heute gebräuchlichen Akkus besteht die negative Elektrode aus Graphit, in das beim Laden Lithium eingelagert wird. Wird stattdessen metallisches Lithium als Anodenmaterial verwendet, sind theoretisch höhere Energiedichten möglich. Das verspricht mehr gespeicherte Energie bei geringerem Gewicht, stellt die Batteriezellen jedoch vor erhebliche Haltbarkeitsprobleme.
Vor allem der Kontakt zwischen Lithium und Elektrolyt gilt als kritische Zone. Dort können unerwünschte Reaktionen und ungleichmäßige Lithiumablagerungen auftreten. Im Extremfall wachsen nadelförmige Strukturen, sogenannte Dendriten, die Batteriezellen schädigen können. Schon frühere Versuche mit einer porösen Kohlenstoffmembran zeigten, dass gezielt gestaltete Grenzflächen das Lithiumwachstum beeinflussen können.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) wollen nun einen weiteren Ansatz untersuchen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer USA Center Midwest (CMW) haben sie dazu im September 2026 das Projekt LIMAC begonnen. Es soll klären, ob dünne Kohlenstoff-Zwischenschichten den Übergang zwischen Lithium-Metall-Anode und Elektrolyt stabilisieren und so zuverlässigere Batteriezellen ermöglichen.
Amorpher Kohlenstoff besitzt keine über größere Entfernungen regelmäßig geordnete Kristallstruktur. Je nach atomarer Bindungsstruktur und Herstellungsverfahren kann das Material unterschiedliche elektrische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Anpassbarkeit könnte für eine Grenzfläche nützlich sein, an der Lithium und Elektrolyt möglichst kontrolliert miteinander wechselwirken sollen.
Zunächst wollen die Forscher geeignete Kohlenstoffschichten entwickeln und mit einem Laser-Arc-PVD-Verfahren auf Kupfer-Stromableitern abscheiden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) wird Beschichtungsmaterial im Vakuum in die Gasphase überführt und schlägt sich auf einer Oberfläche nieder. Die Laser-Arc-Technik wird bereits zur Herstellung amorpher Kohlenstoffschichten genutzt. Welche Beschichtung sich für die geplanten Batteriezellen eignet, muss sich aber erst zeigen.
Anschließend sollen die beschichteten Materialien in Batteriezellen eingesetzt und mit Referenzzellen verglichen werden. Als erstes Testformat dienen unter anderem kleine Knopfzellen. Dabei interessiert die Forscher vor allem, welche Eigenschaften der Zwischenschicht eine möglichst stabile Grenzfläche begünstigen und ob daraus ein messbarer Vorteil für die Zuverlässigkeit der Zellen entsteht.
Die aktuelle Projektmitteilung nennt noch keine Messwerte und keinen nachgewiesenen Lebensdauervorteil. Ob die Kohlenstoffschichten die erhoffte Wirkung erzielen, wie groß diese wäre und wie lange sie beim wiederholten Laden und Entladen anhält, ist daher offen. Von einer bereits erfolgreich erprobten neuen Batterietechnik kann noch keine Rede sein.
Die Forscher wollen nicht nur die technische Leistung untersuchen. Geplant ist außerdem eine Ökobilanz, auch Life Cycle Assessment (LCA) genannt, die Material- und Energieflüsse sowie Umweltwirkungen des Ansatzes erfasst. Solche Analysen helfen zu beurteilen, ob ein möglicher technischer Vorteil mit zusätzlichem Ressourcenverbrauch oder anderen Umweltbelastungen verbunden wäre.
Parallel soll ein Konzept entstehen, um die Beschichtung von kleinen Testzellen auf größere Pouchzellen zu übertragen. Diese Batteriezellen besitzen ein flaches, flexibles Foliengehäuse. Ein solches Skalierungskonzept ist allerdings noch kein Nachweis dafür, dass die Technologie bereits in größeren Zellen funktioniert oder industriell einsetzbar ist.