PSI-Verfahren für stabile und langlebige Feststoffakkus

Die Skalierung von Feststoffbatterien scheitert bisher oft an der Grenzflächenstabilität und komplexen Fertigungsprozessen. Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) entwickelten nun für Argyrodit-basierte Lithium-Metall-Akkus ein spezielles Verfahren, das zwei technische Ansätze kombiniert. Dabei erfolgt die Verdichtung des Festelektrolyten durch „mildes Sintern“ bei lediglich 80°C, was die Bildung von Hohlräumen reduziert. Zusätzlich schützt eine 65 Nanometer dünne Lithiumfluorid-Schicht die Anode vor chemischer Zersetzung und unterdrückt das Wachstum von schädlichen Dendriten. Diese Methode erhöht die Lebensdauer auf 1.500 Zyklen und senkt gleichzeitig den Energiebedarf in der Produktion, da auf Hochtemperaturprozesse weitgehend verzichtet werden kann.

Das PSI-Verfahren auf einen Blick:

Herausforderung: Porosität und chemische Zersetzung

Festkörperbatterien bieten höhere Energiedichten und gesteigerte Sicherheit, da sie keine brennbaren Flüssigelektrolyte enthalten. Bei sulfidbasierten Elektrolyten wie dem untersuchten Argyrodit-Typ (Li6PS5Cl) treten in der Praxis jedoch zwei spezifische Probleme auf:

1. Strukturelle Porosität: Beim Pressen bei Raumtemperatur entstehen mikroskopische Hohlräume, die das Wachstum von Lithium-Dendriten begünstigen und zu Kurzschlüssen führen.
2. Chemische Reaktivität: Der direkte Kontakt zwischen Lithium-Anode und Elektrolyt löst eine chemische Zersetzung aus, welche die Kapazität und Lebensdauer der Zelle mindert.

PSI-Verfahren: Sintern bei 80°C und 65 nm LiF-Schicht

Das Team um Mario El Kazzi hat einen zweistufigen Prozess entwickelt, der industriell leichter umsetzbar ist als bisherige Labormethoden. Während herkömmliche Ansätze wie das Heißpressen bei über 400°C können je nach Materialsystem die chemische Struktur, während einfaches Pressen bei Raumtemperatur oft unzureichende Dichten liefert. Daher setzt das PSI auf ein kombiniertes Verfahren:

• Sanftes Sintern: Die Forschenden nutzen eine Temperatur von lediglich 80°C unter mäßigem Druck. Diese moderate Wärme reicht aus, um die Argyrodit-Partikel so eng miteinander zu verbinden, dass eine deutlich dichtere Mikrostruktur mit reduzierter Porosität entsteht. Dabei bleibt die chemische Stabilität weitgehend erhalten.
• Lithiumfluorid-Passivierung: Um die Grenzfläche zu schützen, wird eine 65 Nanometer dünne Schicht aus Lithiumfluorid (LiF) im Vakuum auf die Lithium-Anode aufgedampft. Diese Schicht fungiert als physikalische Barriere gegen Dendritenbildung und verhindert gleichzeitig die Entstehung von inaktivem, „totem“ Lithium an der Kontaktstelle.

Klassisches Sintern im Vergleich zum PSI-Verfahren

Die Herstellung sulfidischer Festelektrolyte erfordert eine präzise Balance zwischen mechanischer Dichte und chemischer Reinheit. Die folgende Gegenüberstellung zeigt die technischen Unterschiede zwischen den gängigen Verfahren und dem PSI-Ansatz.

Die Chemie der Grenzfläche: Argyrodit und Lithiumfluorid

Der gewählte Elektrolyt Argyrodit gehört zur Gruppe der Thiophosphate und erreicht eine ionische Leitfähigkeit von 10-3 bis 10-2 S/cm. Diese Werte nähern sich denen flüssiger Elektrolyte an. Das chemische Dilemma besteht in der thermodynamischen Instabilität gegenüber metallischem Lithium. Bei Kontakt reduziert das Lithium den Schwefel und Phosphor im Elektrolyten, wodurch eine unkontrollierte, elektrisch leitende Grenzschicht (Interphase) entsteht. Diese wächst stetig weiter und verbraucht dabei aktives Lithium.

Die Funktion der Lithiumfluorid-Schicht (LiF):

Die 65 nm dünne LiF-Schicht fungiert als künstliche Solid Electrolyte Interphase (SEI) und löst das Stabilitätsproblem über die folgenden drei Mechanismen:

• Elektronische Isolation: LiF unterbindet den Elektronenfluss, wodurch die weitere Reduktion und Zersetzung des Elektrolyten unterdrückt werden.
• Ionische Transparenz: Lithium-Ionen können die Schicht trotz ihrer isolierenden Eigenschaften passieren, was den Batteriebetrieb ermöglicht.
• Grenzflächenstabilisierung: Die mechanisch stabile, elektronisch isolierende LiF-Schicht erschwert dendritisches Eindringen und stabilisiert die Kontaktzone zwischen Lithium und Elektrolyt.

PSI-Verfahren ermöglicht potenzielle Kostensenkung

Der potenzielle Vorteil liegt dabei weniger in neuen Materialien als in einem prozessseitigen Ansatz – ein Faktor, der für bestehende Produktionslinien entscheidend sein könnte. Die Absenkung der Sintertemperatur von über 400°C auf lediglich 80°C senkt potenziell die Kosten und vereinfacht die Produktion von Feststoffakkus in drei Bereichen. Erstens sinken die Betriebskosten, da der Energieaufwand für industrielle Sinteröfen abnimmt. Da die Prozesstemperatur im Bereich üblicher Trockenräume liegt, reduziert sich der Stromverbrauch der Zellfertigung.

Zweitens verringern sich die Investitionskosten für die Produktionsanlagen. Da das Verfahren ohne extreme Hitze auskommt, sind keine spezialisierten, korrosionsbeständigen Hochtemperatur-Komponenten aus Keramik oder Spezialstahl erforderlich. Beim PSI-Verfahren senkt der Einsatz von Standard-Presswerkzeugen und einfacheren Heizsystemen die Anlagenkosten. Drittens werden keine komplexen Abkühlzyklen benötigt, weil das Material bei dieser moderaten Wärme chemisch stabil bleibt. Dadurch verkürzen sich die potenziellen Taktzeiten in der Fertigung. Dies macht das Verfahren zu einem Kandidaten für die großserientaugliche Produktion.

Langzeitstabilität von 1.500 Ladezyklen in der Testphase

Die Laborversuche mit Knopfzellen belegen die Wirksamkeit der Methode. So lag Restkapazität der Testzelle nach 1.500 Lade- und Entladezyklen bei rund 75%. Offen bleibt jedoch, wie stabil die LiF-Grenzschicht unter höheren Stromdichten und größeren Elektrodenflächen langfristig bleibt – ein typischer Skalierungsfaktor bei Lithium-Metall-Systemen. Damit übertrifft die Zelle den Durchschnitt vergleichbarer Systeme.

Diese Zyklenfestigkeit ist eine Grundvoraussetzung für den späteren Einsatz in der Elektromobilität oder in langlebiger mobiler Elektronik. Hochgerechnet auf ein Elektroauto mit 500 Kilometern Reichweite würde diese Stabilität unter idealisierten Annahmen einer Gesamtlaufleistung von 750.000 Kilometern entsprechen, bevor die Kapazität kritisch sinkt. In einem nächsten Schritt muss das Verfahren nun von der Labor-Knopfzelle auf großformatige Pouch-Zellen skaliert werden, um die mechanische Stabilität der Schichten unter realen Belastungen zu validieren.

Technologische Einordnung und Industrieperspektive

Das PSI-Verfahren positioniert sich zwischen den derzeit dominierenden Feststoff-Konzepten. Während Factorial Energy auf Polymer-Elektrolyte setzt, die bei Raumtemperatur zwar einfach zu verarbeiten sind, aber eine geringere Ionenleitfähigkeit aufweisen, bietet der sulfidische Argyrodit-Ansatz des PSI eine höhere Leistungsfähigkeit bei nun deutlich reduzierten Prozesstemperaturen.

Gegenüber keramischen Ansätzen, wie sie QuantumScape verfolgt, adressiert die Methode des PSI die typische Versprödung des Materials und den hohen Energiebedarf des Hochtemperatur-Sinterns. Diese Kombination aus niedriger Temperatur und hoher Stabilität ist für Hersteller wie Gotion High-Tech relevant, da sie die Umrüstung bestehender Fertigungslinien auf die Feststofftechnologie erleichtert. Zudem ergänzt das Verfahren die Entwicklungen auf der Kathodenseite. Da Unternehmen wie Integrals Power an der Maximierung der Energiedichte arbeiten, liefert das PSI mit der LiF-geschützten Anode die notwendige Basis für die Zyklenfestigkeit. Da das PSI seine Erkenntnisse der Industrie zugänglich macht, könnte diese Prozesskombination perspektivisch als Standard für die Skalierung von Lithium-Metall-Zellen dienen.

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