Festkörperakkus: Besonders dünne Festelektrolyten von der Uni Bayreuth

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Einem Forschungsteam der Universität Bayreuth gelang die Entwicklung eines dünnen Festelektrolyten für leistungsstarke Festkörperbatterien. Hierbei handelt es sich um die Kombination aus einem Polymer und keramischen Nanofasern, welche die Kompatibilität der Grenzflächen von Kathode und Elektrolyt verbessert. Diese Entdeckung bereitet Elektroautos einen neuen Weg.

Forscher der Universität Bayreuth entwickeln dünne Elektrolyten

Bisher fehlte der Festkörperbatterie noch der passende Elektrolyt, doch Forscher der Universität Bayreuth haben scheinbar das Problem gelöst. Der Durchbruch gelang einem Forschungsteam von Professorin Seema Agarwal am Lehrstuhl für makromolekulare Chemie, das mit Forschenden der University of Chemistry and Technology in Prag und der Jiangxi Normal University in Nanchang in China zusammenarbeitete.

Durch die Entwicklung eines dünnen Festelektrolyten ist es ihnen gelungen, den passenden Elektrolyten für leistungsstarke Feststoffbatterien bereitzustellen. Eine innovative Kombination aus Poly-Vinylidenflourid und Keramik-Nanofasern verbessert die Kompatibilität der Grenzflächen von Kathode und Elektrolyt. Für Elektroautos könnte dies ein entscheidender Faktor für die Zukunft der Elektromobilität sein.

Festkörperbatterien bieten mehr Sicherheit

Einer der bedeutendsten Vorteile der Festkörperbatterien ist ihre Sicherheit. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten, die häufig auslaufen und Kurzschlüsse verursachen, sind sie sicherer. Nicht selten hört oder erlebt man, dass Handys, Laptops oder Elektrofahrzeuge Feuer fangen. Je nach Situation und Umständen kann ein Batteriekurzschluss oder Ausfall tödliche Folgen haben. Besonders bei Elektroautos ist der Faktor Sicherheit der Batterie ein wichtiges Entscheidungskriterium beim Kauf und Umstieg auf elektrische Fahrzeuge. Neben einer höheren Sicherheit bieten Festkörperbatterien aber auch eine bessere Zyklusstabilität.

Ein weiteres Problem der Lithium-Ionen-Batterie sind die Lithium-Ablagerungen an der Anode, die meist auch für Kurzschlüsse und Brände verantwortlich sind. Dies geschieht nicht bei einem Festelektrolyten.

Bessere Kompatibilität der Grenzflächen

Bei der Festkörperbatterie gab es bisher ein Problem bei der Kompatibilität der Grenzfläche von Kathode und Elektrolyt, denn Kathoden sind porös. Doch nun ist es den Forschenden gelungen, eine glatte Oberfläche zwischen Kathode und Elektrolyt zu schaffen. Der Elektrolyt ist in der Lage, sich optimal an die Struktur anzupassen und bleibt dabei fest. Hinzukommt, dass der Elektrolyt dünner als 20 Mikrometer sein muss und einen geringen Widerstand besitzt.

Die Entwicklung eines sehr dünnen Festelektrolyten aus Poly-Vinylidenflourid und Keramik-Nanofasern haben die Forschenden nun erfolgreich realisiert. Der Verbundwerkstoff wird auf die poröse Kathodenoberfläche aufgetragen. Das nur 7 Mikrometer dicke Material sorgt für eine Füllung der Hohlräume, die auf der Kathode liegen. Dadurch entsteht ein fester Elektrolyt mit einer stabilen Verbindung.

Bessere Speicherleistung und Energiedichte

Durch eine gute Kompatibilität der Grenzflächen der Kathode wurde die Energiedichte und Speicherleistung der Festkörperbatterie verbessert. Bei Versuchen erreichte eine Batterie mit dem neuen Elektrolyten und einer Lithium-Eisenphosphatkathode eine Kapazität von 166 mAh. Nach 120 Zyklen besaß die Batterie noch 100% der Kapazität. Somit zeigt sie im Vergleich zu bisherigen Festkörperelektrolyten eine bessere spezifische Kapazität, einen geringeren Widerstand und höhere Ladeleistungen.

Für Elektroautos sind die neuen Elektrolyten nicht nur aufgrund ihrer höheren Sicherheit interessant, sondern auch deswegen, weil das Material günstig und robust ist. Daher eignen sie sich gut für die Massenproduktion.

Nach dieser neuen Entwicklung möchte das Forscherteam ein ähnliches Verfahren für die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode entwickeln.

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