Neue Festkörperbatterie mit Lithium-Anode erzielt hohe Energiedichte

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Festkörperakkus haben momentan das größte Potenzial, Lithium-Ionen-Batterien abzulösen, sind aber noch nicht serienreif. Doch Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich und der Universität Münster sind einen großen Schritt vorangekommen. Sie entwickelten eine besonders leistungsfähige Festkörperbatterie mit einer Anode aus reinem Lithium – etwas, das bisher nicht möglich war.

Lithium ermöglicht die höchsten Energiedichten

Lithium ist das Material, mit dem die höchsten Energiedichten in Feststoffbatterien möglich sind. Es ist eigentlich das ideale Elektrodenmaterial. Doch wegen seiner hohen Reaktivität konnte das Metall bisher nicht als Anode verwendet werden. Denn reines Lithium neigt beim Laden zur Bildung von sogenannten Dendriten. Diese unkontrollierten Auswüchse können zum Kurzschluss führen oder die Batteriezelle beschädigen. In Lithium-Ionen-Akkus wird das Lithium meist in Graphit eingelagert, um die Bildung von Dendriten zu vermeiden. Das erhöht allerdings das Batteriegewicht.

Polymer als Schutzschicht verhindert schädliche Dendritenbildung

Das Risiko von Dendriten umgingen die Forscher in Jülich und Münster nun, indem sie zwei Schichten eines neuartigen Polymers einfügten. Damit grenzen sie das Lithium in der Anode vom keramischen Elektrolyten der Batterie ab. „Das Polymer funktioniert wie eine Schutzschicht, die die Verwendung einer Lithium-Anode überhaupt erst möglich macht“, erklärt Dr. Hermann Tempel vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. Im Labor konnte die Batterie so bereits Hunderte Male be- und entladen werden, ohne dass die Kapazität des Feststoffakkus wesentlich nachließ.

Diese Bauweise hat mehrere Vorteile: Die Batterie ist leichter, weil die Forscher die schützende Polymerschicht flüssig auftragen. So kann sie tief in den porösen keramischen Elektrolyten eindringen, was den Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt verbessert. Ein stabiles Gehäuse, das beide Komponenten zusammenpresst, ist deshalb nicht nötig.

Warum Festkörperbatterien so viel Potenzial haben

Die neue Festkörperbatterie erreicht eine sehr gute Energiedichte von 460 Wattstunden pro Kilogramm. Festkörperakkus sind aber nicht nur wegen ihrer höheren Energiedichte interessant: Weil ihr Elektrolyt fest ist statt flüssig, sind sie auch deutlich sichererer als Lithium-Ionen-Batterien. Sie können nicht auslaufen und sich nicht so schnell entzünden. Deshalb kommen sie ohne Temperaturmanagement aus, was sie wiederum leichter macht. Sobald Festkörperbatterie serienreif sind, könnten sie der Elektromobilität den entscheidenden Schub verpassen.

Die Entdeckung der Forscher macht Hoffnung. „Das Besondere an der Zelle ist, dass sie trotz der moderat leitenden Polymere funktioniert; in mancher Hinsicht sogar besser als ohne“, erklärt Hans-Dieter Wiemhöfer vom Helmholtz-Institut Münster. Er hat das spezielle Polymer aus der Klasse der Polyphosphazene entwickelt. Die neue Batterie entstand im Rahmen des Verbundprojekts MEET-HiEnD II, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.

Bis zur Serienreife ist weitere Forschung nötig

Bis die neue Batterie in der Praxis eingesetzt werden kann, müssen die Wissenschaftler sie noch weiterentwickeln. Denn die Polymerschichten hemmen den Stromfluss, was die Leistung der Batterie einschränkt. Außerdem verlängert sich so auch ihre Ladezeit – aktuell liegt diese bei zwei Stunden. Damit der Elektrolyt für Ladungsträger durchlässig bleibt, muss die Zelle auf einer Temperatur von mindestens 50 Grad Celsius gehalten werden. Das Herstellungsverfahren ist außerdem noch zu teuer.

Doch grundsätzlich funktioniert die Batterie ohne die typischen Probleme an den Grenzflächen von Festkörperbatterien, und einen Einsatzbereich sehen für ihre Entwicklung die Forscher bereits jetzt. Die Festkörperbatterie könnte interessant sein für Nischenanwendungen, bei denen Kosten nicht entscheidend sind.

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