Betriebssicherheit, Langlebigkeit und hohe Energiedichte: In diesen Punkten sind Festkörperbatterien vom Prinzip her den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyten überlegen. Ein zentrales Problem, das industriellen Anwendungen etwa im Bereich E-Mobilität entgegensteht, ist die Kompatibilität der Grenzflächen von Kathode und Elektrolyt. Ein Forscherteam an der Universität Bayreuth hat hierfür eine Lösung gefunden.
Die Wissenschaftler berichten von einem sehr dünnen Festelektrolyten, der aus einem Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff besteht. Bei dem von ihnen entwickelten Festelektrolyten handelt es sich um eine Kombination aus einem Polymer und keramischen Nanofasern. Dieser Verbundwerkstoff wird ähnlich wie eine Beschichtung auf der porösen Oberfläche der Kathode aufgetragen. Hier füllt es die winzigen Hohlräume aus und bildet so einen Festelektrolyten, der einen stabilen Kontakt zur Kathode hat. Dabei ist er nur etwa sieben Mikrometer dünn.
Gegenüber früheren Festkörperbatterien zeichnet sich das neue System laut den Forschern dadurch aus, dass der Elektrolyt die Kathode wie eine Hülle umschließt: So entstehe eine deutlich verbesserte Grenzfläche, die überdies den Vorteil habe, dass sie die Ionen in der Kathode aktiviert. Aufgrund dieser Grenzflächenmodifikation steigere der neue Festelektrolyt sowohl die Energiedichte als auch die Energiespeicherleistung der Batterien. Ein weiterer großer Vorteil dieses „ultradünnen“, mit der Kathode wechselwirkenden Festkörperelektrolyten bestehe darin, dass er die Betriebssicherheit der Batterien „enorm erhöht“.
„Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, bereiten immer wieder Sicherheitsprobleme: Es besteht immer die Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft, was zum Kurzschluss und Ausfall der Batterie führt. Handys, Laptops und Elektrofahrzeuge sind deswegen schon in Brand geraten und haben schwere Unfälle verursacht. Ein zusätzliches Problem sind die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode, die sogenannten Grenzflächendendriten, die den Elektrolyten durchdringen und zu einem Kurzschluss oder einem Brand führen können. Alle diese Risiken werden durch unseren ultradünnen Festelektrolyten, der eine hohe thermische Stabilität besitzt, beseitigt oder zumindest signifikant verringert“, erklärt Prof. Dr. Seema Agarwal, Professorin für Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth.
Der Erstautor der neuen Studie, Dr. Sivaraj Pazhaniswamy, verweist auf einen weiteren Vorteil: „Wenn statt eines entflammbaren Flüssigelektrolyt ein thermisch stabiler Festelektrolyt verwendet wird, ist es möglich, die Vorteile von Lithium als Anodenmaterial voll auszuschöpfen. Gegenüber anderen Materialien, wie sie in herkömmlichen Flüssigelektrolytbatterien zum Einsatz kommen, hat Lithium hochattraktive Eigenschaften, beispielsweise eine hohe theoretische Kapazität und ein niedriges elektrochemisches Potenzial. Nachdem sich unser neuer Festelektrolyt bei seinen Wechselwirkungen mit der Kathode so hervorragend bewährt hat, wollen wir jetzt darauf hinarbeiten, mit einem ähnlichen System auch die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode zu optimieren.“
alupo meint
Ich habe mit den Jahren über viele tolle Forschungsergebnisse aus unseren Universitäten gelesen. Ich kann mich nicht erinnern, dass es eine einzige in die Produktionsrealität geschafft hätte.
Auf eine bin ich wirklich hereingefallen. Das war die, als Frau Hagen(?) an der Uni Kiel das Problem der Anode aus Silizium gelöst haben wollte (stand hier bei Ecomento. Oder gibt es dazu etwas Neues?). Ich habe jefenfalls nie wieder etwas dazu gelesen.
Ich befürchte leider, dass auch diese Forschungsergebnisse in einer Sackgasse landen werden, oder sich bereits dort befinden.
Ich fände Berichte viel interessanter warum man in eine Sackgasse gelangte (was hat denn nicht funktioniert, oder war es nur zu teuer?) anstatt immer mit neuen vermeintlichen Durchbrüchen „Sackgassen zu produzieren“.
Tesla-Fan meint
Entfernt. Bitte bleiben Sie sachlich. Danke, die Redaktion.
HansWurst meint
Der Kommentar, auf den Sie sich beziehen, wurde bereits entfernt. Die Redaktion.
MAik Müller meint
Was ist das Problem? Warum wurden nicht schon 1000 Akkus hergestellt?
Ein Anruf beim Elon der kauft sofort Mio von Akkus ab.
Anti-Brumm meint
Der versucht noch immer verzweifelt sein Waschbecken bei Twitter zu montieren.
Gunarr meint
Das sind Grundlagenforscher. Die bekommen vom Staat 2,50 € um Material einzukaufen. Das reicht leider nicht für 1000 Akkus.
Jetzt wird erst mal ausgegründet, patentiert, nach Investoren gesucht und hochskaliert. Wenn alles gut läuft, können wir in 5 Jahren vielleicht solche Batterien kaufen.
MAik Müller meint
@Gunarr das sehe ich anders.
Eine neue Akkuchemie wird von der Industrie ganz sicher geheim gehalten und sofort in die neuen Produkten eingebaut. Da braucht es keine Hilfen.
Der Bedarf an besseren Akkus ist extrem und hoch profitabel.
Ökoman meint
Die Ölindustrie kauft solche Patente und steckt sie in die Schublade, wie sie es bereits jahrzehntelang erfolgreich praktizieren. Die Kunden verbrennen weiter Benzin und Diesel – läuft.