In Südkorea entdeckten Forscher eine Technologie, die die Lebensdauer von anodenfreien Festkörperbatterien der nächsten Generation (AFASSBs) um das Siebenfache verlängern. Hierfür nutzten die Forscher anstelle teurer Edelmetalle ein kostengünstiges zweidimensionales Material. Die sogenannten MoS2-Dünnschichten regeln die Problematik mit der ungleichmäßigen Lithiumbeschichtung und der Instabilität der Grenzflächen in anodenfreien Festkörperbatterien. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für sicherere, leistungsfähigere und kostengünstigere Batterien, die insbesondere in Elektrofahrzeugen und mobilen Geräten zum Einsatz kommen könnten. Bislang befinden sich die Forschungen noch in einem frühen Entwicklungsstadium, dennoch rechnet man mit einer praktischen Umsetzung bis 2032.
Probleme mit Li-Ion-Batterien und Solid-State-Batterien
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien nutzen flüssige Elektrolyte. Beim Ladevorgang können durch ungleichmäßige Lithiumabscheidung auf der Anodenoberfläche Lithiumdendriten wachsen. Diese Dendriten können den Separator durchdringen und Kurzschlüsse oder sogar thermisches Durchgehen auslösen. Demgegenüber bieten Festkörperbatterien (Solid-State Batteries, SSB) eine vielversprechende Lösung, da sie die entflammbaren flüssigen Elektrolyte durch Festkörperelektrolyte (Solid-State Electrolytes, SE) ersetzen. Das sorgt für mehr Sicherheit, eine höhere Energiedichte und eine stabilere Leistung bei niedrigen Temperaturen.
Warum sind AFASSBs so wichtig
Anodenfreie Festkörperbatterien (AFASSBs) gehen in ihrem Design noch einen Schritt weiter, indem sie bei der Produktion vollständig auf eine Anode verzichten. Stattdessen wandern die Lithium-Ionen bei der ersten Ladung von der Kathode zum Stromkollektor, wo sie eine Lithiumschicht ausbilden. Diese Bauweise ermöglicht eine maximale Energiedichte, da das Volumen der Zelle reduziert wird. Allerdings sorgt die wiederkehrende Lithiumabscheidung zwischen dem Festkörperelektrolyten (SE) und dem Stromkollektor (CC) häufig für Instabilität der Grenzflächen und einer kürzeren Lebensdauer. Zur Stabilisierung der Schnittstelle verwendete man Edelmetallbeschichtungen (z.B. Silber, Indium). Jedoch stehen deren hohe Kosten und aufwendige Verarbeitung einer kommerziellen Nutzung entgegen.
Lebensdauer von AFASSBs erfolgreich verbessert durch MoS₂
Um diese Herausforderungen zu überwinden, hat ein Team unter der Leitung von Dr. Ki-Seok An und Dr. Dong-Bum Seo vom Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), zusammen mit der Gruppe von Prof. Sangbaek Park von der Chungnam National University, mit einer innovativen Methode die Lebensdauer verlängert. Hierfür nutzten sie eine Opferschicht aus Molybdändisulfid (MoS₂), die mithilfe metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf Stromabnehmern aus Edelstahl (SUS) aufgewachsen ist. Während des Betriebs der Batterie reagiert MoS₂ mit Lithium und bildet Molybdän-Metall (Mo) und Lithiumsulfid (Li₂S). Diese entstandene Schicht wirkt als „lithiophile“ Zwischenschicht – also eine Schicht, die Lithium anzieht. Dies hemmt das unerwünschte Wachstum von Lithiumdendriten und verbessert die Stabilität der entscheidenden Grenzfläche.
Die innovativen Batterien mit MoS₂-beschichteten CCs zeigt einen stabilen Betrieb von über 300 Stunden, wohingegen Zellen mit blankem SUS nach etwa 95 Stunden einen Kurzschluss erlitten Zudem erreichten diese Batterien eine 1,18-mal höhere anfängliche Entladekapazität (136,1 → 161,1 mAh/g) und eine siebenfach bessere Kapazitätserhaltung (8,3% → 58,9% nach 20 Zyklen).
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