Festkörperakkus aus Cellulose

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Akkus mit festen Elektrolyten gehört die Zukunft, sie sind sicherer und leistungsfähiger. Doch noch läuft die Suche nach den besten Materialien für Festkörperbatterien. US-Forscher haben ein neues organisches Material aus Holz entwickelt, das sehr vielversprechende Eigenschaften hat.

Rekordverdächtige Leitfähigkeit

Bei dem neuen Material handelt sich es sich um einen festen Ionenleiter, der Kupfer mit Zellulose-Nanofibrillen kombiniert. Das sind Polymerröhren, die aus Holz gewonnen werden. Das Material ist so dünn wie Papier, flexibel und hat eine deutlich bessere Ionenleitfähigkeit als andere Polymer-Ionenleiter.

Konkret ist der Stoff 10- bis 100-mal leitfähiger, berichten Forscherteams der Providence University und der University of Maryland in der Fachzeitschrift „Nature“. „Wir haben festgestellt, dass dieser Ionenleiter unter allen festen Polymer-Elektrolyten eine rekordverdächtig hohe Ionenleitfähigkeit aufweist“, schreiben sie.

Einsatz als Elektrolyt oder als Kathodenmaterial möglich

Das Material könnte entweder als fester Elektrolyt oder als ionenleitendes Bindemittel in den Kathoden von Feststoffbatterien eingesetzt werden. Aktuell werden bei festen Elektrolyten oft keramische Materialen eingesetzt, die zwar sehr gut leiten, aber dick, starr und spröde sind. Deshalb treten leicht Risse und Brüche auf, entweder schon bei der Herstellung oder durch die angelegte Spannung beim Laden oder Entladen der Batterie. Bei dem flexiblen, papierdünnen neuen Material gibt es dieses Problem nicht.

Auch als Kathodenmaterial bietet es große Vorteile: Kathoden müssen wesentlich dicker sein, um die Kapazität der Anoden zu erreichen. Doch diese Dicke kann die Leitfähigkeit beeinträchtigen, die Batterie wird weniger effizient. Um das zu verhindern, müssen dickere Kathoden von einem ionenleitenden Bindemittel umhüllt sein. Mit dem neuen Material als Bindemittel konnten die Forscher eine der dicksten Kathoden entwickeln, die je vorgestellt wurden.

Kupfer macht den Unterschied

Um zu verstehen, warum das neue Material so gut leitfähig ist, führten die Forscher Computersimulationen der mikroskopischen Struktur des Kupfer-Zellulose-Materials durch. Die Untersuchung zeigte, dass Kupfer den Raum zwischen den Zellulosepolymerketten vergrößert, die normalerweise in dicht gepackten Bündeln vorliegen. Durch diesen größeren Abstand entstehen „Ionen-Superhighways“, durch die sich Lithium-Ionen relativ ungehindert bewegen können. Das heißt: In dem organischen Festelektrolyten bewegen sich die Lithium-Ionen über Mechanismen, die Forscher normalerweise in anorganischen Keramiken finden. Das ermögliche die rekordverdächtig hohe Ionenleitfähigkeit, heißt es.

Die Forscherteams sind überzeugt, dass dieses neue Material ein großer Schritt hin zu einer massentauglichen Festkörperbatterie sein kann. Festkörperbatterien sind deutlich leistungsfähiger und langlebiger als Lithium-Ionen-Batterien, die mit einem flüssigen Elektrolyten arbeiten. Weltweit läuft deshalb ein Wettlauf verschiedener Hersteller um den ersten serienfähigen Feststoffakku.

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