Die Mischung macht’s

Prof. Rüdiger Eichel, Institutsleiter des IEK-9 am Forschungszentrum Jülich und Sprecher des Topics „Batteriespeicher“ der Helmholtz-Gemeinschaft, mit einem Modell des Festkörperelektrolyten. (Quelle: FZJ / Sascha Kreklau)

Festkörperbatterien enthalten keine flüssigen Teile, die aus­laufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfind­lich gegen­über Hitze und gelten als deut­lich sicherer, zuver­lässiger und lang­lebiger als her­kömm­liche Lithium-Ionen-Batterien. Wissen­schaftler am Forschungs­zentrum Jülich haben jetzt ein neues Konzept vor­ge­stellt, das zehn­mal größere Ströme beim Laden und Ent­laden erlaubt als bis­lang beschrieben. Die Verbesse­rung erzielten sie durch eine clevere Material­wahl: Alle Kompo­nenten wurden aus Phosphat­ver­bin­dungen gefertigt, die chemisch und mecha­nisch sehr gut zusammen­passen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Ent­wick­lung von Fest­körper­batterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum Laden benötigen. Etwa zehn bis zwölf Stunden dauert es üblicher­weise, bis eine Fest­körper­batterie wieder voll ist. Der neue Zell­typ braucht dagegen weniger als eine Stunde, bis er wieder auf­ge­­laden ist.

Der feste Elektrolyt dient als stabiles Träger­material für die Elek­troden, die der­zeit beid­seitig per Sieb­druck-Ver­fahren auf­ge­tragen werden. (Bild: R. Panknin, FZ Jülich)

„Mit den bisher beschriebenen Konzepten waren nur sehr geringe Lade- und Ent­lade­ströme möglich, die sich auf Probleme an den internen Fest­körper-Grenz­flächen zurück­führen lassen. Hier setzt unser Konzept an, das auf einer günstigen Kombi­nation der Materi­alien beruht und das wir auch schon paten­tiert haben”, erklärt Hermann Tempel vom FZ Jülich. In her­kömm­lichen Lithium-Ionen-Batterien kommt ein flüssiger Elektro­lyt zum Ein­satz, der die Elek­troden in der Regel sehr gut kontak­tiert. Mit ihrer struk­tu­rierten Ober­fläche nehmen die Elek­troden die Flüssig­keit auf wie ein Schwamm, sodass eine große Kontakt­fläche ent­steht. Zwei Fest­körper lassen sich prinzi­piell nicht derart lücken­los mit­ein­ander ver­binden. Der Über­gangs­wider­stand zwischen den Elek­troden und dem Elek­trolyt fällt ent­sprechend höher aus.

„Um dennoch einen möglichst großen Stromfluss über die Schicht­grenzen hinweg zu ermög­lichen, haben wir alle Kompo­nenten aus sehr ähn­lichen Materi­alien auf­ge­baut. Anode, Kathode und Elek­trolyt wurden alle aus ver­schie­denen Phosphat­ver­bin­dungen gefertigt“, erklärt Tempel. Dadurch lassen sich hohe Lade­raten erzielen.

Als stabiles Trägermaterial dient der feste Elektrolyt, auf den die Phosphat-Elek­troden beid­seitig per Sieb­druck-Ver­fahren auf­ge­tragen werden. Die ver­wendeten Materi­alien sind preis­günstig zu beschaffen und relativ leicht zu ver­arbeiten. Anders als Lithium-Ionen-Batterien kommt die neue Fest­körper­batterie zudem weit­gehend ohne giftige oder bedenk­liche Stoffe aus.

Testaufbau für die Festkörperbatterie: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, welches die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt. Das patentierte Konzept beruht auf einer günstigen Kombination von Materialien. Alle Komponenten – Anode, Kathode und Elektrolyt – wurden aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) ermöglichen. (Quelle: FZJ / Regine Panknin)

„In ersten Tests erwies sich die neue Batteriezelle über fünf­hundert Lade- und Ent­lade­zyklen recht stabil und ver­fügte danach immer noch über 84 Prozent ihrer ursprüng­lichen Kapa­zität”, berichtet Shicheng Yu vom FZ Jülich. „Hier besteht aller­dings noch Verbes­se­rungs­poten­zial. Theore­tisch sollte sogar ein Ver­lust von unter einem Prozent machbar sein.”

Festkörperbatterien werden aktuell mit Hochdruck als Energie­speicher für Elektro­mobile der über­nächsten Genera­tion ent­wickelt. Die Forscher am FZ Jülich glauben aber, dass Fest­körper­batterien sich darüber hinaus auch in weiteren Anwen­dungs­feldern durch­setzen werden, bei denen es auf lang­lebige Betriebs­dauern und sicheren Betrieb ankommt, wie etwa in der Medizin­technik oder bei inte­grierten Bau­teilen im Smart-Home-Bereich. (Quelle: FZJ / pro-physik.de)

Referenz: S. Yu et al.: Monolithic All-Phosphate Solid-State Lithium-Ion Battery with Improved Interfacial Compatibility, ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 22264 (2018); DOI: 10.1021/acsami.8b05902

Link: Grundlagen der Elektrochemie, Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich

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