Einfach erklärt
Forschende haben einen Weg gefunden, das Innere einer Lithiumbatterie schon bei Raumtemperatur zu einer gelartigen Masse werden zu lassen. Dafür muss die Batterie nicht stark erhitzt werden, was empfindliche Teile schonen könnte. Ein größerer Versuchsakku lieferte viel Energie, doch bei Kälte funktioniert die Technik noch nicht gut genug.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien stoßen bei der praktisch speicherbaren Energiemenge zunehmend an Grenzen. Außerdem gibt die Flüssigkeit in ihrem Inneren Anlass zur Sorge, weil sie auslaufen und sich entzünden kann. Eine mögliche Alternative sind Lithium-Metall-Batterien mit einem halbfesten Elektrolyten: Sie könnten mehr Energie speichern und zugleich sicherer sein. Bei ihrer Herstellung gibt es jedoch eine knifflige Hürde. Eine flüssige Ausgangsmischung muss sich in der Batterie gleichmäßig in ein Gel verwandeln, ohne dass die dafür nötige Wärme die Elektroden beschädigt.
Warum die Batterie eine schonendere Rezeptur braucht
Lithium-Metall-Batterien sind unter anderem wegen der hohen theoretischen Kapazität ihrer Anode interessant: Sie beträgt 3860 Milliamperestunden pro Gramm. Hinzu kommen Kathoden mit hohem Lithium- und Mangananteil, deren Kapazität mehr als 250 Milliamperestunden pro Gramm erreichen kann. Werden diese Eigenschaften in einer Zelle kombiniert, könnte sie mehr Energie speichern als herkömmliche Lithiumtechnologien, deren praktisch erreichbare Energiedichte bei etwa 300 Wattstunden pro Kilogramm liegt.
Diese Kennzahlen allein machen allerdings noch keine erfolgreiche Batterie aus. An der Kontaktfläche zwischen metallischem Lithium und Elektrolyt – dem Medium, das Ionen zwischen den beiden Elektroden transportiert – müssen sich stabile und gleichmäßige Grenzschichten bilden. Entstehen sie unregelmäßig, können die Elektroden Schaden nehmen oder die Zelle bei wiederholtem Betrieb an Leistung verlieren. Deshalb versuchen Forschende, den Elektrolyten direkt in der Zelle herzustellen: Eine chemische Reaktion soll eine flüssige Mischung in ein halbfestes Gel verwandeln, das die inneren Oberflächen gleichmäßig berührt.
Ein bisher genutztes Verfahren erhitzte die Zutaten auf mehr als 60 Grad Celsius und setzte dabei einen chemischen Initiator namens Azobisisobutyronitril (AIBN) ein. Die Wärme beschleunigt zwar den Start der Reaktion, kann aber dazu führen, dass die Mischung plötzlich erstarrt und sich dabei Wärme und Gas ansammeln. Außerdem können sich auf Anode und Kathode ungleichmäßige Schichten bilden und Elektrodenmaterialien abbauen. Es gilt also, die Reaktion ausreichend anzustoßen, ohne durch übermäßiges Erhitzen gerade jene Bauteile zu schädigen, die der Elektrolyt schützen soll.
Die Reaktion ohne Ofen in Gang bringen
In einer Studie, die am 20. Juli 2026 online in der Zeitschrift eScience veröffentlicht wurde, stellte ein Team der Nankai University und des Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations in Tianjin, China, einen Weg vor, die radikalische Polymerisation bei Raumtemperatur ablaufen zu lassen. Dafür sollen nicht sämtliche Bestandteile der Batterie ausgetauscht werden. Stattdessen wird es den Monomermolekülen erleichtert, die Reaktion zu starten. So kann sich das Gel direkt an seinem Einsatzort bilden, ohne auf hohe Temperaturen angewiesen zu sein.
Als Monomer, aus dem das Polymernetzwerk entsteht, wählte das Team Pentaerythritoltetraacrylat, kurz PETEA. Als Starter der Polymerisation diente AIBN; zusätzlich kam ein Aktivator namens Tris(pentafluorphenyl)boran zum Einsatz, abgekürzt TPFPB. Der Aktivator zeichnet sich durch einen hohen Wert des maximalen elektrostatischen Oberflächenpotenzials (ESPmax) aus. Diese Eigenschaft beschreibt, wie die elektrische Ladung auf der Moleküloberfläche verteilt ist, und hilft zu erklären, wie das Molekül mit anderen Stoffen reagiert.
Der chemischen Erklärung des Teams zufolge bindet TPFPB an die Carbonylgruppe des PETEA. Dadurch verändert sich die Elektronenverteilung im Monomer, und die Doppelbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen kann leichter an der Reaktion teilnehmen. Vereinfacht gesagt bereitet der Aktivator den Reaktionsort so vor, dass für den Start der Polymerketten keine große Wärmezufuhr nötig ist. Entscheidend ist dabei nicht nur, in einem Gefäß ein Gel herzustellen: Es soll sich auch in den Poren und den winzigen Zwischenräumen der Batteriebestandteile bilden.
Mehrere Messungen stützten diese Erklärung. In einer Kernspinresonanzanalyse des Bor-Isotops Bor-11 verschob sich das Signal nach der Reaktion mit den Bestandteilen von -0,07 auf +0,66 ppm. Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie ergaben außerdem, dass die Energiebarriere für den Reaktionsstart von 0,46 Elektronenvolt auf 0,11 Elektronenvolt sank. Die Forschenden wollten mit dieser Veränderung die Polymerisation bei Raumtemperatur ermöglichen. Sie erprobten das Verfahren sowohl in Gefäßen als auch in kleinen Knopfzellen.
Was sich im Inneren der Zelle veränderte
Besonders wichtig ist die Grenzfläche zwischen Elektrolyt und den beiden Elektroden. Sie ist nicht einfach nur die Grenze zwischen verschiedenen Materialien: Dort bilden sich dünne Schichten, die den Ionentransport und die Stabilität der Reaktionen beeinflussen. Zellen mit dem bei Raumtemperatur hergestellten Elektrolyten, bezeichnet als RT-QSE, wiesen gleichmäßigere und lithiumfluoridreiche Zwischenschichten auf. Dazu gehören die Grenzschicht zwischen festem Elektrolyten und Lithium, kurz SEI, sowie die Grenzschicht zwischen Kathode und Elektrolyt, kurz CEI.
Gleichmäßige Schichten könnten dazu beitragen, die Bewegung des Lithiums besser zu verteilen, statt sie auf einzelne Stellen zu konzentrieren. In einem wiederholten Versuch, bei dem Lithium abgeschieden und anschließend wieder entfernt wurde, blieb die Zelle mehr als 1200 Stunden stabil. Dabei betrug die Stromdichte 0,5 Milliampere pro Quadratzentimeter und die Flächenkapazität 1,0 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter. Das Ergebnis gilt für genau diese Versuchsbedingungen und belegt für sich genommen nicht, wie lange eine Batterie in sämtlichen Anwendungen hält. Es zeigt aber, dass die gebildete Grenzschicht in diesem Test wiederholte Betriebszyklen über längere Zeit aushielt.
Das Team untersuchte auch die mechanischen Eigenschaften der SEI-Schicht. Dafür nutzte es ein Rasterkraftmikroskop und bestimmte den DMT-Modul, benannt nach Derjaguin, Muller und Toporov. Der gemessene Modul der Schicht aus dem bei Raumtemperatur hergestellten Elektrolyten war höher als der Wert der Probe, die bei hoher Temperatur polymerisiert worden war. Das beschreibt die Steifigkeit der untersuchten Schicht. Diese Eigenschaft kann beeinflussen, ob die Schicht zusammenhält, wenn sich das Volumen der Elektroden beim Laden und Entladen verändert.
Auch an der lithium- und manganreichen Kathode (LRMO) zeigte sich ein Unterschied. In Zellen mit dem bei Raumtemperatur hergestellten Elektrolyten blieb die Kristallstruktur den Beobachtungen zufolge stabiler; die in der Vergleichsprobe beschriebenen Lücken und Leerstellen traten dort nicht auf. Die Probe, die bei hoher Temperatur polymerisiert worden war, zeigte dagegen unruhigere Oberflächen und weniger gleichmäßige Grenzflächen. Ultraschallmessungen deuteten außerdem darauf hin, dass der Elektrolyt besser in die Elektrode eindrang. Das ist besonders bei dicken Kathoden wichtig: Der Elektrolyt muss auch ins Innere gelangen und darf nicht nur die Außenseite berühren.
Von der kleinen Zelle zum 9,53-Ah-Pouch-Akku
Die Untersuchungen beschränkten sich nicht auf Knopfzellen. Eine LRMO-Kathode mit einer Flächenkapazität von 4 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter behielt nach 100 Zyklen noch 95,1 % ihrer Kapazität. Dieser Wert gibt Aufschluss darüber, wie stabil die Zelle beim wiederholten Laden und Entladen unter den Versuchsbedingungen blieb. Er bedeutet jedoch nicht, dass jede kommerzielle Batterie automatisch dasselbe Ergebnis erreicht: Leistung und Lebensdauer hängen unter anderem vom Zellaufbau, den Abmessungen, der Temperatur und der Ladegeschwindigkeit ab.
Der wichtigste Schritt zu einem größeren Format war der Bau einer Pouch-Zelle mit einer Kapazität von 9,53 Amperestunden. Ihre Kathode hatte eine Flächenkapazität von mehr als 10 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter. Damit wurde geprüft, ob der Elektrolyt auch in eine dichte Elektrode eindringen kann – und nicht nur in dünnen Schichten funktioniert. Die Zelle erreichte eine Energiedichte von 656,6 Wattstunden pro Kilogramm und einen anfänglichen Coulomb-Wirkungsgrad von 94,4 %. Der anfängliche Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der beim ersten Laden zugeführten Ladung beim Entladen wieder zurückgewonnen werden kann. Er gibt damit einen Hinweis auf die frühen Energieverluste beim Start des Betriebs.
Die Zahlen sind bemerkenswert, weil sie an einer Pouch-Zelle und nicht lediglich an einer einzeln untersuchten Materialprobe ermittelt wurden. Zudem hatte die Kathode eine hohe Flächenkapazität. Trotzdem sind die Werte als Ergebnis einer experimentellen Zelle unter den Bedingungen der Studie zu verstehen – nicht als direkte Leistungszusage für Batterien in Autos, Flugzeugen oder Stromnetzen. Der Weg von einer erfolgreichen Laborzelle zum Produkt erfordert eine zuverlässige Fertigung in großer Stückzahl sowie Lösungen für Wärmehaushalt, Sicherheit, Lebensdauer und Kosten. Hinzu kommen Leistungstests unter den tatsächlichen Bedingungen des späteren Einsatzes.
Ein allgemeineres Gestaltungsprinzip als ein einzelner Stoff
Die Forschenden sehen die Bedeutung des Aktivators nicht allein darin, die Reaktion des konkreten Monomers PETEA zu beschleunigen. Die Eigenschaft, auf die das Team setzte – ein hoher ESPmax-Wert –, könnte auch bei der Auswahl anderer miteinander verträglicher Aktivatoren und Monomere helfen. So ließe sich die Rezeptur möglicherweise an unterschiedliche Elektroden oder Zellkonstruktionen anpassen. Das ist jedoch zunächst eine Möglichkeit für künftige Entwicklungen, die für jede Kombination einzeln getestet werden muss. Dass ein bestimmtes Materialpaar funktioniert, belegt nicht automatisch, dass jedes Acrylatmonomer und jeder Aktivator dasselbe Verhalten zeigen.
Dennoch bietet der Versuch eine neue Perspektive auf ein Problem, das häufig mit mehr Wärme angegangen wurde. Statt das Monomer durch Erhitzen zur Reaktion zu zwingen, lässt sich seine Reaktivität auf molekularer Ebene verändern, damit die Polymerisation leichter beginnt. Wenn sich dieser Vorgang zuverlässig steuern und wiederholen lässt, könnten im Inneren dicker Elektroden gleichmäßigere Grenzflächen entstehen. Zugleich könnte sich das Risiko verringern, dass das Gel in verschiedenen Bereichen der Zelle unterschiedlich schnell erstarrt. Das ist besonders wichtig bei größeren Pouch-Zellen, in denen sich nur schwer gewährleisten lässt, dass Wärme und Bestandteile jeden Bereich gleichermaßen erreichen.
Mögliche Einsatzfelder sind Elektroautos, Flugzeuge für niedrige Flughöhen und die Speicherung von Strom im großen Maßstab. Sie alle könnten von einer Kombination aus hoher Energiedichte und größerer Sicherheit profitieren. Die Studie zeigt jedoch nicht, dass die Technik für solche Anwendungen bereits einsatzbereit ist. Bei dicken Elektroden muss die Leistung bei niedrigen Temperaturen noch verbessert werden. Die Forschenden halten es für möglich, dieses Problem durch Veränderungen an der Kathode und an der Auslegung der Weichmacher anzugehen. Das ist wichtig, denn eine Batterie, die bei moderaten Temperaturen gut funktioniert, muss ihre Leistung in kalter Umgebung nicht beibehalten.
Fazit
Die Arbeit setzt bei einem konkreten Problem von Lithium-Metall-Batterien an: Ein gelartiger Elektrolyt soll sich direkt in der Zelle bilden, ohne die starke Erwärmung, die Elektroden und Grenzflächen beschädigen kann. Mit TPFPB im System aus PETEA und AIBN gelang es dem Team, die Polymerisation bei Raumtemperatur anzustoßen. Dazu passten eine Verringerung der Startbarriere von 0,46 auf 0,11 Elektronenvolt und gleichmäßigere Grenzflächen in den beschriebenen Tests.
Die Ergebnisse reichten von mehr als 1200 Stunden Stabilität beim wiederholten Abscheiden und Entfernen von Lithium über eine nach 100 Zyklen erhaltene Kapazität von 95,1 % bei einer Kathode mit 4 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter bis hin zu einer Pouch-Zelle mit 9,53 Amperestunden. Diese erreichte 656,6 Wattstunden pro Kilogramm und einen anfänglichen Coulomb-Wirkungsgrad von 94,4 %. Die Werte sprechen dafür, dass sich das Konzept vergrößern lässt, markieren aber nicht das Ende des Weges zu einer kommerziellen Batterie. Bessere Leistung bei Kälte und der Nachweis, dass sich das Verfahren zuverlässig im großen Maßstab herstellen lässt, sind entscheidende Voraussetzungen, bevor sich seine Nähe zum Alltag beurteilen lässt.