Neuer Festkörper-Lithium-Ionen-Akku

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Auf der Suche nach der perfekten Batterie verfolgen Wissenschaftler vor allem zwei Ziele. Sie wollen eine Batterie, die viel Energie speichern kann, und dabei sehr sicher ist. Batterien mit festen Elektrolyten versprechen beides. Wissenschaftler in den USA sind dem perfekten Elektrolyten nun ein Stück nähergekommen.

Heutige Batterien enthalten flüssige Elektrolyte, die potenziell entflammbar sind. Deshalb werden Lithium-Ionen-Festkörperbatterien, die ausschließlich aus festen Komponenten bestehen, für Wissenschaftler immer interessanter. Sie bieten eine hohe Energiedichte und eine hohe Sicherheit.

Neuer Chlorid-Elektrolyt mit besonders guten Eigenschaften

Ein neuer Elektrolyt, der am Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt wurde, bietet mehrere wichtige Vorteile. Er besteht aus Lithium, Scandium, Indium und Chlor und leitet Lithium-Ionen gut, Elektronen dagegen schlecht.

Diese Kombination ist eine wesentliche Voraussetzung für eine Feststoffbatterie, die ohne großen Kapazitätsverlust über hundert Zyklen bei hoher Spannung über 4 Volt durchhält, bzw. Tausende von Zyklen bei mittlerer Spannung. Wichtig dabei ist das Chlor. Denn der Chlorid-Charakter des Elektrolyten ist der Schlüssel dazu, dass er bei über 4 Volt stabil bleibt. Dann ist er mit typischen Kathodenmaterialien heutiger Lithium-Ionen-Zellen kompatibel.

Aktuelle Festkörperelektrolyte konzentrieren sich stark auf Sulfide, die bei Spannungen über 2,5 Volt oxidieren und zerfallen. Um das zu vermeiden, müssen die Kathodenmaterien beschichtet werden, was es wiederum Elektronen und Lithium-Ionen schwerer macht, aus dem Elektrolyten in die Kathode zu gelangen.

„Bei Sulfid-Elektrolyten steht man vor einer schwierigen Aufgabe“, erklärt die Wissenschaftlerin Linda Nazar, die an dem Forschungsprojekt beteiligt ist. „Man möchte den Elektrolyten elektronisch von der Kathode isolieren, damit er nicht oxidiert, aber das Kathodenmaterial muss trotzdem elektronisch leitfähig sein“, sagte sie.

Nazars Forschungsteam war zwar nicht das erste, das einen Chlorid-Elektrolyten entwickelt hat. Doch die Entscheidung, die Hälfte des Indiums durch Scandium zu ersetzen, erwies sich als vorteilhaft im Hinblick auf eine geringere elektronische und höhere ionische Leitfähigkeit.

„Chlorid-Elektrolyte werden zunehmend attraktiver, da sie nur bei hohen Spannungen oxidieren und einige von ihnen chemisch mit den besten Kathoden kompatibel sind, die wir haben“, so Nazar. In letzter Zeit sei in der Wissenschaft über einige Chlorid-Elektrolyte worden. „Doch wir haben einen mit deutlichen Vorteilen entwickelt.“

Herausforderung Spinell-Struktur

Ein Schlüssel zur Ionenleitfähigkeit lag in der sich kreuzenden 3D-Struktur des Materials, Spinell genannt. Die Forscher mussten zwei konkurrierende Wünsche in Einklang bringen – das Spinell mit möglichst vielen ladungstragenden Ionen aufzuladen, und gleichzeitig Platz für die Ionen zu lassen, die durch den Elektrolyten wandern. „Man kann sich das so vorstellen, als würde man eine Tanzveranstaltung geben. Man will, dass die Leute kommen, aber man will nicht, dass es zu voll wird“, sagte Nazar.

Der Wissenschaftlerin zufolge wäre es ideal, wenn die Hälfte der Spinell-Struktur mit Lithium-Ionen besetzt wäre, während die andere Hälfte frei bliebe. Das sei jedoch schwierig zu erreichen. Noch sei nicht klar, warum die elektronische Leitfähigkeit niedriger sei als bei vielen Chlorid-Elektrolyten, über die zuvor berichtet wurde. Doch es trage dazu bei, eine saubere Grenzfläche zwischen dem Kathodenmaterial und dem Festelektrolyten zu schaffen. Das ist der Hauptgrund für die stabile Leistung selbst bei einem hohen Anteil von aktivem Material in der Kathode.

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