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Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie 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. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut des JARA-ENERGY Mitglieds Prof. Rüdiger A. Eichel haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als bislang erwartet. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, um eine hervorragende Passfähigkeit zu erreichen.
Die geringe Stromstärke von Festkörperbatterien gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung neuer Modelle. Sie führt dazu, dass die Batterien mit 10 bis 12 Stunden relativ viel Zeit zum Laden benötigen. Der neue Zelltyp aus Jülich braucht dagegen weniger als eine Stunde, bis er wieder aufgeladen ist.
Auf einen guten Kontakt kommt es an
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 die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler alle Komponenten aus sehr ähnlichen Materialien aufgebaut. Anode, Kathode und Elektrolyt wurden aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, um Laderaten zu ermöglichen, die zehnmal höher liegen, als die Werte, die in der Fachliteratur postuliert werden.
Die verwendeten Materialien sind recht preisgünstig zu haben und relativ leicht zu verarbeiten. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien kommt die neue Festkörperbatterie zudem weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus.
Erfolgreiche erste Tests und viel Potenzial
Erste Tests, in denen die neue Batteriezelle über 500 Mal be- und entladen wurde, stimmen optimistisch. Die Zelle zeigte sich recht stabil und verfügte zum Schluss immer noch über 84 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Vor allem in Bezug auf die Kapazität sehen die Forscherinnen und Forscher jedoch noch Verbesserungspotenzial.
Institutsleiter Prof. Rüdiger-A. Eichel ist von den Vorteilen des neuen Batteriekonzepts überzeugt. "Die Energiedichte ist mit aktuell rund 120 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) schon sehr hoch, auch wenn sie noch etwas unter der von heutigen Lithium-Ionen-Batterien liegt", erklärt Eichel. Neben der Entwicklung für die Elektromobilität sieht der Sprecher des Topics "Batteriespeicher" der Helmholtz-Gemeinschaft künftige Anwendungsschwerpunkte für Festkörperbatterien auch auf anderen Gebieten: "Festkörperbatterien werden aktuell mit Hochdruck als Energiespeicher für Elektromobile der übernächsten Generation entwickelt. Wir 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", so Eichel. "Da sie sich im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus bei Beschädigung auch nicht übermäßig erhitzen oder sogar explodieren, wären sie auch für Smartphones und andere mobile Computer eine sichere Alternative."
Originalpublikation: Shicheng Yu, Andreas Mertens, Hermann Tempel, Roland Schierholz, Hans Kungl, and Rüdiger-A. Eichel Monolithic All-Phosphate Solid-State Lithium-Ion Battery with Improved Interfacial Compatibility ACS Appl. Mater. Interfaces (published online June 12, 2018), DOI: 10.1021/acsami.8b05902
Eine Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich.
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