Weiterer Entwicklungen bei Feststoffakkus

Forschende der Tsinghua-Universität in Peking erzielten mit der Vorstellung einer neuen Polymer-Elektrolyt-Strategie in Nature einen Durchbruch bei Festkörperbatterien. Dabei wurde der kritische Punkt – die Instabilität an der Grenzfläche von hochkapazitiven Kathoden – durch einen fluorierten Polyether-Polymerelektrolyten (FPE-SPE) gelöst. Durch diesen Ansatz konnte man bei der Energiedichte Rekordwerte von 604 Wh/kg (gravimetrisch) und 1.027 Wh/L (volumetrisch) in Pouchzellen erreichen, was die Leistung kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien deutlich übertrifft. Zudem zeigte die Zelle im Nadelstichtest eine gute Sicherheit und hervorragende Stabilität (72,1% Kapazität nach 500 Zyklen). Die Studie rund um das Team von Professor Zhang Qiang von der Fakultät für Chemieingenieur ebnet damit den Weg zur Massenproduktion sicherer und energiedichter Festkörperbatterien.

FPE-SPE Elektrolyt löst Grenzflächen-Problem

Dem Forscherteam ist es gelungen, das Problem mit der Instabilität an der Grenzfläche zu hochkapazitiven Kathoden, zu lösen. Hierfür entwickelten sie einen fluorierten Polyether-Polymerelektrolyten (FPE-SPE). Dieser neue Elektrolyt verhindert durch die gezielte Gestaltung einer anionenreichen Solvationsstruktur die Zersetzung von Gitter-Sauerstoff in lithiumreichen Manganoxid-Kathoden. Diese Zersetzung ist typischerweise die Ursache für eine schwere Grenzflächen-Degradation und eine schlechte Zyklenstabilität.

Rekordleistung und technische Umsetzung der Zelle

Die technische Umsetzung des Konzepts basiert auf einer in-situ-Polymerisationstechnik, bei welcher ein Monomer direkt in die Batteriezelle injiziert und anschließend durch Erhitzen polymerisiert wird. Diese Methode gewährleistet die Bildung eines dichten, porenfreien Festkörperelektrolyten mit einer hochstabilen Grenzfläche. Die Forscher kombinierten dies mit einer hochbeladenen LRMO-Kathode (über 8 mAh/cm²), einem „lean electrolyte“-Ansatz und einem anodlosen Zelldesign, wobei eine Kupferfolie als Stromkollektor dient. Diese Pouchzelle erreichte die beeindruckenden Rekordwerte:

• Gravimetrische Energiedichte: 604 Wh/kg
• Volumetrische Energiedichte: 1.027 Wh/L

Überlegene Stabilität, Sicherheit und Ausblick

Die FPE-SPE-Zelle demonstrierte somit eine überlegene Leistung in puncto Langlebigkeit, Energiedichte und Sicherheit. Im Stabilitätstest hielt die Zelle zudem eine Kapazitätserhaltung von 72,1 Prozent nach 500 Ladezyklen bei 0,5 C. Dies steht im starken Kontrast zu konventionellen Polymer-Elektrolyt-Batterien, die bereits nach 50 Zyklen signifikant abbauten. Darüber hinaus bestand die Zelle den kritischen Nadelstichtest im vollgeladenen Zustand ohne Feuer oder Explosion. Der inhärent nicht brennbare Charakter des Elektrolyten ist hierbei ein entscheidender Sicherheitsvorteil. Darüber hinaus liegen die erreichten Energiedichten bis zu 604 Wh/kg deutlich über den Werten der besten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiedichte von 250 bis 300 Wh/kg. Auch im Hinblick auf die Ziele von Industrieakteuren wie z.B. QuantumScape ist die innovative Lösung der Forschenden aus Peking wettbewerbsfähig. Obwohl die industrielle Skalierbarkeit noch zu beweisen ist, bietet die Studie einen klaren und vielversprechenden technologischen Weg, um die Markteinführung von sicheren und hochenergetischen Festkörperbatterien zu beschleunigen.

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