Langlebige Feststoffbatterien durch Nanoschichten

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Feststoffbatterien können die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen, der Knackpunkt ist bisher ihre zu kurze Lebensdauer. Jetzt haben Wissenschaftler eine mögliche Lösung gefunden: Eine Nanoschicht, die eigentlich als unerwünscht gilt, könnte der Schlüssel zur Langlebigkeit der neuen Akkus sein.

Überraschende Erkenntnisse über Schmelzschichten

Wissenschaftler des Fritz-Haber-Institutes, der TU München und des Forschungszentrums Jülich haben gemeinsam das Innere von Festkörperbatterien untersucht. Konkret untersuchten sie die Funktion einer Korngrenze in der Batterie im Nanobereich und betraten bei Festkörperbatterien damit weitgehend Neuland. Die Versuche zeigten, dass gezieltes Grenzflächen-Design die Lebensdauer von Festkörperbatterien erhöhen kann. Dabei geht es um sogenannte Schmelzschichten im Elektrolyten.

Bei Feststoffbatterien besteht der normalerweise flüssige Elektrolyt aus einem festen Material. Die Ladungsträger (Ionen) wandern beim Be- und Entladen der Batterie durch den Elektrolyten zwischen den beiden Polen hin und her. Im Fall von Festkörperbatterien wandern sie nicht durch eine Flüssigkeit, sondern durch viele aneinandergrenzende feste Kristallkörnchen.

Diese losen Körnchen werden bei der Herstellung der Batterie erhitzt, damit sich an ihren Grenzen eine Art Schmelzschicht bildet. Über diese Schicht können die Ionen von einem Korn zum nächsten wandern. Bisher versuchten Forscher, diese Schicht so dünn wie möglich zu halten, da sich die Teilchen über diese Schicht weniger effektiv bewegen.

Das Wissenschaftler-Team entdeckte nun, dass gerade diese Nanoschichten die unerwünschten Kurzschlüsse in Feststoffbatterien verhindern. Denn sie verhindern, dass Elektronen statt wie vorgesehen durch den äußeren Stromkreis durch die Kristallkörner des Elektrolyten fließen und so Kurzschlüsse verursachen. Dadurch erhöhen die Schichten auch die Lebensdauer der Batterien.

Die Schmelzschicht verhindert auch Dentriten

Die Schmelzschicht verhindert aber nicht nur Kurzschlüsse, sondern kann auch die Bildung von Lithiumdendriten unterdrücken, glauben die Forscher. Das sind ebenfalls unerwünschte Gebilde, die entstehen, wenn Elektronen und Lithium-Ionen aufeinandertreffen. Auch sie können zu Kurzschlüssen führen und die Batterie zerstören. Das Forscherteam fand heraus, dass die dünne Schicht zwischen den Kristallen genau das verhindert, da sie Elektronen einfangen kann.

Schutzschichten gezielt nutzen

Das Fazit der Forscher: Bei der nächsten Generation von Feststoffbatterien sollten solche Schutzschichten gezielt genutzt werden, um die Batterien langlebiger zu machen. Schließlich sind die Akkus mit festem Elektrolyten nicht nur leistungsfähiger und versprechen eine höhere Reichweite, sondern auch sicherer, da der Elektrolyt nicht brennbar ist. Große Autohersteller wie etwa BMW, Daimler und VW setzen daher ihre Hoffnung in die neue Technologie und sind schon länger an der Forschung und Herstellung von Festkörperakkus beteiligt.

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