Die Vorteile von Feststoffbatterien

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Die Feststoffbatterie ist quasi der heilige Gral der Batterieforschung. Sie haben diverse Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien und deshalb das Potenzial, diese abzulösen. Trotzdem müssen Forscher noch einige Probleme überwinden, bevor die Festkörperbatterie auf den Markt kommen kann.

Bisher sind Lithium-Ionen-Batterien die unangefochtene Nummer Eins in der Batterieentwicklung. Von Jahr zu Jahr steigt ihre Energiedichte, das heißt, die Akkus werden leichter bzw. speichern bei gleichem Gewicht mehr Energie. Gleichzeitig sind die Kosten der Herstellung immer weiter gesunken. Doch der Spielraum für Verbesserungen wird kleiner, weshalb Forscher und Hersteller längst nach Alternativen suchen.

Die Vorteile von Feststoffbatterien

Bei der Suche nach neuen Batterietypen gelten Feststoffbatterien als sehr vielversprechend. Anders als Lithium-Ionen-Batterien kommen sie ohne Flüssigkeiten aus. Der Elektrolyt, also der leitende Teil der Batterie, ist fest. Deshalb haben Festkörperbatterien eine Menge guter Eigenschaften:

• Feststoffbatterien sind sicherer: Ihr fester Elektrolyt ist nicht entzündlich und kann nicht auslaufen.
• Feststoffbatterien speichern mehr Energie: Weil sie nicht entzündlich sind, kommen sie ohne Kühlung aus. Das erhöht ihre Energiedichte, weil in der Batterie bei gleicher Größe mehr Platz ist. Auch der feste Elektrolyt der Feststoffbatterie selbst besitzt eine höhere Energiedichte.
• Feststoffbatterien lassen sich theoretisch schneller laden: Sie vertragen höhere Spannungen und Betriebstemperaturen.

Diese Eigenschaften der Festkörperbatterie machen sie zu einem idealen Nachfolger für Lithium-Ionen-Batterien. Vor allem Autohersteller hoffen auf sie, denn sie könnte das Reichweitenproblem von Elektroautos lösen. Lange Ladezeiten würden ebenso der Vergangenheit angehören.

Welche Nachteile Feststoffbatterien noch haben

So viele Vorteile die festen Elektrolyten auch haben, noch haben Forscher nicht das ideale Material dafür gefunden. Es muss genauso leitfähig sein wie flüssige Elektrolyten. Doch Elektrolyte aus Polymeren, Glas (Glasbatterien) oder Keramik hemmen den Stromfluss, und das verlängert die Ladezeiten.

In Lithium-Ionen-Batterien nehmen die Elektroden, zwischen denen die Teilchen beim Be- und Entladen hin und her wandern, den flüssigen Elektrolyten wie ein Schwamm auf. So entsteht eine große Kontaktfläche. Ein fester Elektrolyt verbindet sich dagegen nicht so gut mit den Elektroden. Der Strom fließt deshalb deutlich langsamer.

Aktuelle Ergebnisse in der Forschung

Am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung arbeiten Wissenschaftler deshalb an einer Feststoffbatterie, bei der alle Komponenten aus Phosphatverbindungen bestehen. Die einzelnen Teile passen deshalb chemisch und mechanisch sehr gut zusammen. Damit erreichten die Forscher zehnmal so hohe Ladeströme als bisher. Ihre Feststoffbatterie ist in weniger als einer Stunde aufgeladen und hatte auch nach 500 Lade- und Entladezyklen noch 84 Prozent ihrer Ursprungskapazität.

Hoffnung machen auch die Ergebnisse, die ein internationales Team mit Beteiligung der TU Graz vorstellte. Die Forscher präsentierten einen festen Elektrolyten, der die bisher beste Ionen-Leitfähigkeit zeigte. Sie verwendeten Lithium-Titanthiophosphat mit einer ungewöhnlichen Kristallstruktur. Diese führt dazu, dass die Lithium-Ionen keine geeigneten Verweilplätze finden und sich deshalb besonders stark bewegen. Diese Entdeckung soll als Basis für die Suche nach weiteren Verbindungen dienen, die ähnlich gut leiten und in künftigen Feststoffbatterien eingesetzt werden können.

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