Lithium-Ionen-Akkus: FPTI erhält 95,6 % Kapazität nach 1.000 Ladezyklen

Ein neuer Elektrolyt-Zusatz namens FPTI stabilisiert die Schutzschicht auf Graphitanoden. Im Labor blieben nach 1.000 Ladezyklen 95,6 Prozent der Kapazität erhalten.

Warum Lithium-Ionen-Akkus mit der Zeit Kapazität verlieren

Lithium-Ionen-Akkus stecken in Smartphones, Notebooks, Elektroautos und anderer Computertechnik. Mit jedem Ladezyklus verändert sich jedoch die Chemie im Inneren der Zelle. Ein Teil der ursprünglichen Kapazität geht dadurch schrittweise verloren.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Graphitanode.

Während der ersten Ladevorgänge bildet sich auf dem Graphit eine sogenannte Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI. Diese dünne Schutzschicht ist grundsätzlich erwünscht. Sie lässt Lithium-Ionen passieren und verhindert gleichzeitig, dass Elektrolyt und Anode ständig weiter miteinander reagieren.

Problematisch wird es, wenn diese Schicht instabil wird oder unerwünschte Nebenreaktionen auftreten. Dabei kann aktives Lithium gebunden werden. Gleichzeitig steigt der elektrische Widerstand an der Grenzfläche. Die Folge ist ein zunehmender Kapazitätsverlust.

Forschende des Japan Advanced Institute of Science and Technology, kurz JAIST, haben deshalb nicht das Material der Anode ausgetauscht. Stattdessen haben sie versucht, genau diese Grenzfläche gezielt zu verändern.

FPTI soll die Schutzschicht auf Graphit stabilisieren

Im Mittelpunkt der im Fachjournal “Energy & Fuels” veröffentlichten Studie steht Pentafluorphenylthiophenimin, kurz FPTI.

Die Verbindung enthält Pentafluorphenyl-, Thiophen- und Imin-Gruppen und wurde dem Elektrolyten in kleinen Mengen zugesetzt. Untersucht wurden Konzentrationen von zwei und vier Milligramm FPTI pro Milliliter Elektrolyt.

Die Idee dahinter: FPTI soll frühzeitig an der Oberfläche der Graphitanode reagieren und dadurch beeinflussen, wie sich die SEI aufbaut.

Genau das konnten die Forschenden in ihren Messungen beobachten.

Schwefel- und Imin-Verbindungen aus FPTI wurden Bestandteil der Grenzschicht. Gleichzeitig bildete sich eine lithiumfluoridreiche äußere Schicht. Diese Kombination soll unerwünschte chemische Reaktionen reduzieren und den Transport von Lithium-Ionen erleichtern.

Das lässt sich auch an den gemessenen Widerständen erkennen.

Bei einer Konzentration von vier Milligramm FPTI pro Milliliter sank der Widerstand der SEI von 7,6 Ohm in der Kontrollzelle auf 2,2 Ohm. Der Ladungstransferwiderstand fiel gleichzeitig von 41,8 auf 19,8 Ohm.

Auch die Diffusion der Lithium-Ionen durch die Grenzschicht verbesserte sich.

95,6 Prozent Kapazität nach 1.000 Ladezyklen

Besonders deutlich wurde der Unterschied im Langzeittest.

Die Forschenden verglichen Graphit-Lithium-Halbzellen ohne FPTI mit Zellen, deren Elektrolyt zwei beziehungsweise vier Milligramm FPTI pro Milliliter enthielt.

Nach 1.000 Ladezyklen ergab sich folgendes Bild:

Die unbehandelte Kontrollzelle zeigte bereits nach ungefähr 350 Zyklen einen stärkeren Kapazitätsverlust.

Mit vier Milligramm FPTI pro Milliliter blieben dagegen nach 1.000 Zyklen noch 95,6 Prozent der maximalen Kapazität erhalten.

Das ist ein deutlicher Unterschied. Die Zahl sollte allerdings nicht mit der Lebensdauer eines vollständigen Smartphone- oder Elektroauto-Akkus gleichgesetzt werden.

Der zentrale Versuch wurde mit Graphit-Lithium-Halbzellen durchgeführt. Solche Laborzellen eignen sich gut, um die Vorgänge an einer einzelnen Elektrode kontrolliert zu untersuchen. Sie bilden einen kommerziellen Akku aber nicht vollständig ab.

Warum FPTI nicht einfach dauerhaft in den Akku gemischt wird

Die Studie zeigt gleichzeitig, warum ein funktionierender Zusatzstoff für eine Elektrode nicht automatisch für die gesamte Batterie geeignet ist.

Als die Forschenden FPTI direkt mit der NMC811-Kathode kombinierten, stieg dort der Widerstand und die Leistung verschlechterte sich.

Für die Vollzellen wählten sie deshalb einen anderen Ansatz.

Die Graphitanode wurde zunächst mit FPTI vorkonditioniert. Dabei konnte sich die gewünschte Schutzschicht bilden. Anschließend wurde die eigentliche NMC811-Graphit-Vollzelle mit einem normalen Elektrolyten aufgebaut.

FPTI dient in diesem Szenario also vor allem dazu, die Grenzfläche der Anode gezielt vorzubereiten.

Das ist für eine mögliche praktische Nutzung entscheidend. Ein Elektrolyt-Zusatz muss nicht nur lokal eine gute Wirkung zeigen, sondern mit sämtlichen Komponenten einer Batterie kompatibel sein.

Bis zu 233 Wh/kg in der Vollzelle

Auch bei den NMC811-Graphit-Vollzellen untersuchten die Forschenden die Auswirkungen der vorbehandelten Graphitanoden.

Die Kontrollzelle erreichte eine Energiedichte von ungefähr 130 Wattstunden pro Kilogramm.

Mit zwei Milligramm FPTI pro Milliliter während der Konditionierung der Anode waren es rund 192 Wh/kg. Bei vier Milligramm stieg der gemessene Wert auf etwa 233 Wh/kg.

Damit zeigte die Behandlung nicht nur Auswirkungen auf die Zyklenstabilität der Graphitanode, sondern auch auf die Leistungsdaten einer vollständigen Zelle.

Gerade dieser Teil ist für eine mögliche spätere Anwendung interessant. Graphit ist bereits eines der wichtigsten Anodenmaterialien kommerzieller Lithium-Ionen-Akkus. Das Verfahren setzt deshalb nicht voraus, dass Hersteller auf ein grundsätzlich anderes Anodenmaterial umsteigen.

Für Batteriehersteller, Zulieferer und Start-ups könnte ein Verfahren, das sich in bestehende Produktionsprozesse integrieren lässt, grundsätzlich interessanter sein als ein vollständiger Materialwechsel.

Ob das bei FPTI tatsächlich gelingt, muss allerdings erst gezeigt werden.

Was die Studie noch nicht beweist

Die Ergebnisse sind vielversprechend, aber noch weit von einem serienreifen Akku entfernt.

Die 95,6 Prozent Kapazität nach 1.000 Ladezyklen wurden in Graphit-Lithium-Halbzellen unter kontrollierten Laborbedingungen gemessen. Für eine industrielle Nutzung müssen deutlich mehr Faktoren berücksichtigt werden.

Dazu gehören unter anderem größere Zellformate, unterschiedliche Temperaturen, Schnellladen, hohe Ladezustände, mechanische Belastungen und jahrelange kalendarische Alterung.

Auch Herstellungskosten, Langzeitstabilität und die Integration der zusätzlichen Konditionierung in bestehende Produktionslinien sind noch offen.

Hinzu kommt, dass die Studie selbst bereits eine Einschränkung des Materials zeigt: FPTI ist für die Graphitanode hilfreich, kann an der NMC811-Kathode jedoch unerwünschte Effekte verursachen.

Das macht die Ergebnisse nicht weniger relevant. Es zeigt vielmehr, wie stark die Lebensdauer moderner Lithium-Ionen-Akkus von den Grenzflächen zwischen einzelnen Materialien abhängt.

Kleine Änderung statt neuer Akkuchemie

Interessant an FPTI ist deshalb weniger die Vorstellung eines völlig neuen Akkutyps.

Die Forschenden verändern weder die grundlegende Lithium-Ionen-Chemie noch ersetzen sie die etablierte Graphitanode. Stattdessen versuchen sie, die bereits vorhandene Grenzfläche zwischen Graphit und Elektrolyt gezielt stabiler zu machen.

Sollten sich die Laborergebnisse auch in größeren kommerziellen Zellen bestätigen, könnte dieser Ansatz helfen, Kapazitätsverluste über viele Ladezyklen zu reduzieren.

Bis dahin bleibt FPTI vor allem ein interessanter Forschungsansatz.

Die gemessenen 95,6 Prozent Restkapazität nach 1.000 Zyklen zeigen jedoch, welches Potenzial in einem Bereich steckt, der beim Blick auf neue Akkuchemien leicht übersehen wird: der wenige Nanometer dünnen Schutzschicht auf einer seit Jahrzehnten verwendeten Graphitanode.

Studie

Die Untersuchung stammt von Uday Sai Reddi, Bharat Srimitra Mantripragada und Noriyoshi Matsumi vom Japan Advanced Institute of Science and Technology.

Sie erschien am 31. August 2026 im Fachjournal “Energy & Fuels” unter dem Titel “Enhancing the Cycling Stability of Graphite Anodes Using a Dense Fluorine-Containing Thiophene-Based Electrolyte Additive”.