Batterieforschung: Neue Festkörper-Elektrolyte

Festkörper-Batterien sind langlebige und leistungsfähige Energiespeicher. Auf der Suche nach dem besten Elektrolyten hat Dr. Daniel Mutter vom Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM herausgefunden, wie Festkörper-Elektrolyte aus Keramik zusammengesetzt sein müssen, um in Lithium-Ionen-Batterien gute Leistung zu erbringen.

Die Vorteile und Nachteile von festen keramischen Elektrolyten

„Die Überlegung, dass keramische Festkörper-Elektrolyte eine vielversprechende Alternative für herkömmliche Flüssig-Elektrolyte in Batterien und Akkumulatoren sein könnten, ist in der Materialwissenschaft nicht neu“, erklärt Dr. Daniel Mutter. Denn feste Elektrolyte machen Lithium-Ionen-Batterien nicht nur leistungsfähiger, sondern auch sicherer. Im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten ist die Explosionsgefahr deutlich geringer. Außerdem enthalten feste Elektrolyte weniger giftige Stoffe: Werden sie beschädigt, tritt keine Säure aus. Der Nachteil von keramischen Elektrolyten ist bisher, dass sie weniger leitfähig sind.

Neue Zusammensetzung für NZP-Keramiken

Daniel Mutter beschäftigt sich mit sogenannten NZP-Keramiken, deren struktureller Aufbau es ermöglicht, dass sich Lithium-Ionen im Elektrolyten leicht fortbewegen können. Er konnte mithilfe atomistischer Simulationen mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken identifizieren, die besonders vielversprechend sind. Der Vorteil der computerbasierten Simulation ist, dass gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener Elementverbindungen möglich sind, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen, erklärt Daniel Mutter. Denn die eigentliche Synthese ist teuer und benötigt Ressourcen.

Hinzu kommt, dass sich die keramischen Elektrolyten unter Umständen mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren lassen. „Das ist bei den heute gebräuchlichen flüssigen Elektrolyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metallischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, erklärt der Forscher. Im nächsten Schritt soll getestet werden, ob die in der Simulation identifizierten Elektrolytmaterialien die Leitfähigkeit für Ionen so steigern wie erwartet.

Boost für die Elektromobilität

Wenn ja, würde sich die Energie- und Leistungsdichte von Batterien mit diesem Festkörper-Elektrolyten stark erhöhen. Das bedeutet, dass Batterien schneller geladen werden könnten und länger durchhalten. Außerdem sinkt ihr Gewicht, da Lithium-Metall-Anoden leichter sind als die jetzt üblichen Anoden aus Graphit. Von all diesen Vorteilen würden vor allem Elektroautos profitieren.

Die Elektrolytmaterialien, um die es in der Arbeit von Dr. Mutter geht, bestehen aus Elementen, die in Erdkruste Europas zahlreich vorkommen. Sie sind zudem verhältnismäßig leicht abbaubar. Das bedeutet, dass der Festkörper-Elektrolyt ohne Konfliktmaterialien wie Kobalt auskommt. Die Arbeit von Dr. Mutter ist Teil des Forschungsprojekts zum Thema „Herstellung und Charakterisierung keramischer Festkörper-Elektrolyte mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit“ des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der TU München.

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