Im Inneren einer anodenfreien Lithiumbatterie mit 500 Wh/kg: Struktur, Materialien und Leistung

Da die Nachfrage nach leistungsstärkeren Elektrofahrzeugen, Drohnen und Luft- und Raumfahrtsystemen zunimmt, stößt die Batterieindustrie schnell an die Grenzen der konventionellen Lithium-Ionen-Technologie. Um diesen Engpass zu überwinden, greifen Forscher und Hersteller auf Lithium-Metall-Batterien (LMBs) zurück – und genauer gesagt auf eine radikale Variante, die als anodenfreie Lithium-Metall-Batterie bekannt ist.

In diesem Artikel bieten wir eine vollständige Zerlegung und Leistungsanalyse eines anodenfreien Lithiumbatterie-Prototyps mit 508 Wh/kg und zeigen, wie dieses minimalistische und dennoch leistungsstarke Design eine rekordverdächtige Energiedichte liefert.

Was ist eine anodenfreie Lithium-Metall-Batterie?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die Materialien auf Graphit- oder Siliziumbasis als Anode verwenden, entfällt bei anodenfreien Batterien die aktive Anode vollständig. Stattdessen wird Lithium während des ersten Ladezyklus vor Ort auf einen blanken Kupferstromkollektor plattiert.

Hauptvorteile :

• Höhere Energiedichte aufgrund des Verzichts auf sperrige Anodenmaterialien

• Niedrigere Produktionskosten (keine Anodenherstellung oder Vorlithiierung)

• Vereinfachte Zellstruktur , Verbesserung der volumetrischen Effizienz

Mit	traditioneller LIB-	Lithium-Metall-Batterie	, anodenfreiem LMB
Anodenmaterial	Graphit/Silizium	Lithium-Metallfolie	Keine (nur Cu-Folie)
Erste Lithiumquelle	Nur Kathode	Vorlithiierte Anode	Nur Kathode
Energiedichte (Wh/kg)	250–300	350–400	Bis zu 500+

Prototypenübersicht: 500Wh/kg-Zelle auf einen Blick

Bei der untersuchten Batterie handelt es sich um eine Soft-Pouch-Zelle mit den folgenden Spezifikationen

Parameterwert	:
Nennspannung	3,8V
Kapazität	8,3 Ah
Energie	31,54 Wh
Zellgewicht	62g
Energiedichte	508Wh/kg
Ladeabschaltung	4,4 V
Entladungsunterbrechung	3,0 V

Die Zelle verfügt über eine gestapelte Schichtstruktur, vertikale Laschenschweißung und einen kompakten Dichtungsbereich, um das aktive Volumen zu maximieren und das Gewicht zu minimieren.

Elektroden- und Komponentendesign

Kathode: NCM mit hohem Nickelgehalt

• Spezifische Kapazität : 222 mAh/g

• Aktivmaterialanteil : 96,98 %

• Einseitige Flächenbelastung : 23,59 mg/cm²

• Pressdichte : 3,45 g/cm³

• Beschichtungsdicke (ohne Folie) : ~68,4 μm

• Folienstärke : 12 μm (Al)

• Elektrodengröße : 44 mm × 114 mm

• Anzahl der Schichten : 17

• Flächenkapazität : 5,08 mAh/cm²

Anode: Nur Kupferfolie

• Material : Reines Kupfer

• Dicke : 6 μm

• Elektrodengröße : 47 mm × 117 mm

• Anzahl der Schichten : 18

• Flächenkapazität : 0 (kein aktives Material)

Separator

• Länge : 1870 mm

• Breite : 122 mm

• Flächendichte : 12,3 g/m²

• Geschätztes Gewicht : ~2,8g

Leistungsanalyse

Trotz seines minimalistischen Designs zeigt die Prototypzelle eine hervorragende elektrochemische Leistung über alle Temperatur- und Geschwindigkeitsbedingungen hinweg.

Testtyp	Bedingungsleistung	-
Zykluserhaltung	1C-Entladung, 10 Zyklen	≥95 % Kapazitätserhalt
Temperaturbereich	Entladung bei 25°C bis 55°C	≥95 % Entladekapazität
Hochtemperatur-C-Rate	Prüfung der C-Rate bei 40 °C und 55 °C	≥95 % Kapazitätserhalt

Dies weist auf eine solide Stabilität bei mittleren bis hohen Temperaturen hin, mit einer guten Reversibilität der Lithiumplattierung/-entfernung.

Designfaktoren hinter 508 Wh/kg

Um über 500 Wh/kg zu erreichen, ist eine sorgfältige Optimierung aller Komponenten erforderlich:

• Die anodenfreie Architektur eliminiert Graphit-/Silizium-/Folienmasse

• Hochbeladene NCM- Kathode (23,59 mg/cm²) mit hohem Aktivverhältnis

• Separator mit geringer Masse und minimalem Elektrolytgehalt (~0,6 g/Ah)

• Dünne Kupfer- und Aluminiumfolien reduzieren die inaktive Masse

• Das kompakte Beuteldesign gewährleistet eine hohe volumetrische Effizienz

Diese Synergien bringen sowohl die gravimetrische als auch die volumetrische Energiedichte auf ein neues Niveau.

Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt

Anodenfreie Lithiumbatterien sind zwar vielversprechend, stehen jedoch vor mehreren entscheidenden Herausforderungen:

der Herausforderung	Beschreibung
Zyklusleben	Begrenzt aufgrund von Lithiumverlust und Grenzflächeninstabilität
Dendritenbildung	Beim Lithium-Plattieren besteht die Gefahr von Kurzschlüssen
Feuchtigkeitsempfindlichkeit	Kathoden mit hohem Nickelgehalt und metallisches Lithium sind reaktiv
Fertigungskontrolle	Erfordert präzises Elektrolytmanagement und Oberflächentechnik

Forschung zu Festkörperelektrolyten, Lithiumwirten und SEI-Stabilisierung ist für die kommerzielle Rentabilität von entscheidender Bedeutung.

Anwendungsausblick

Mit ihrer ultrahohen Energiedichte und vereinfachten Struktur sind anodenfreie LMBs ideal für:

• Flugzeuge mit elektrischem vertikalen Start und Landung (eVTOL).

• Drohnen mit großer Reichweite

• EV-Plattformen der nächsten Generation (>1000 km Reichweite)

• Luft- und Raumfahrt und Satelliten

• Kompakte Robotik und Wearables

Es wird damit gerechnet, dass Elektrofahrzeuge in Sektoren mit geringem Volumen und hohem Wert frühzeitig eingesetzt werden, bevor es zwischen 2028 und 2030 zu einer breiteren Einführung von Elektrofahrzeugen kommt.

Abschluss

Dieser Abbau einer anodenfreien Lithium-Metall-Batterie mit 508 Wh/kg ist ein konkretes Beispiel dafür, wie modernstes Design und Materialoptimierung den nächsten Sprung in der Energiedichte ermöglichen können. Indem diese Zellen die Anode völlig neu überdenken, zeigen sie das Potenzial, die Zukunft der Mobilität, der Luft- und Raumfahrt und darüber hinaus voranzutreiben.

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