Fertig konfektionierte Festkörperbatterie (Kathodenmaterial Lithium-Kobalt-Oxid, Elektrolyt: teilsubstituiertes Lithium-Lanthan-Zirkonat, Anode: Lithium-Metall)
Forschungszentrum Jülich
Jülicher Forscher arbeiten an einer Feststoff-Lithium-Ionen-Batterie mit Keramik-Elektrolyt. Jetzt haben die Wissenschaftler eine Zelle vorgestellt, die im Labormaßstab schon gut funktionieren soll. Vorteile einer solchen Festkörper-Batterie: höhere Energiedichte und sicherer Betrieb.
Feststoff-Lithium-Ionen-Akkus gelten als sichere Batterien der Zukunft. Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff ermöglicht hohe Energiedichten und entschärft Probleme wie Auslaufen, Überhitzen, Abbrand und Giftigkeit, mit denen heutige Lithium-Ionen-Akkus immer wieder zu kämpfen haben.
Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich haben nun eine Zelle vorgestellt, die im Labormaßstab schon gut funktionieren soll. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Verbesserung der Grenzfläche zwischen festem Elektrolyt- und Elektrodenmaterial. Dies sei eine der größten Herausforderungen bei der Optimierung für praktische Anwendungen wie die Elektromobilität, so die Forscher.
Über 350-mal entladen und wieder aufgeladen
Die Jülicher Feststoff-Lithium-Ionen-Zelle wurde im Labor über 350-mal entladen und wieder aufgeladen. Sie soll der Vorläufer einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Akkus sein, in denen anstelle der brennbaren und oft giftigen Flüssigkeiten ein fester Elektrolyt zum Einsatz kommt. Diese Bauweise bringt viele Vorteile mit sich: "Die Zellen können bei Unfällen und Fehlern nicht in Brand geraten und nicht auslaufen. Sie könnten eine deutlich längere Lebensdauer haben und sind auf jeden Fall weniger temperaturempfindlich", erläutert Professor Olivier Guillon vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.
Lithium-Ionen-Batterien sind insbesondere für mobile Anwendungen wie tragbare Elektrogeräte und Fahrzeuge die erste Wahl. Grund ist in erster Linie ihre hohe Energiedichte. "Mit Feststoff-Lithium-Ionen-Batterien lässt sich die Energiedichte noch deutlich steigern, denn die Zellen lassen sich übereinander stapeln", so der Leiter des Bereichs Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1). Anders als herkömmliche Akkus mit Flüssig-Elektrolyt benötigen die unbedenklichen und mechanisch unempfindlichen Festkörper-Batterien keine platzraubenden Kühl- und Schutzvorrichtungen. Selbst die unvermeidlich auftretenden Stöße und Vibrationen bei Anwendungen im Automobilbereich würden sie ohne aufwendige Stützkonstruktionen verkraften, die für konventionelle Flüssigzellbatterien erforderlich sind.
Spezialkeramik als Elektrolyt
Aufgabe des Elektrolyten ist es, Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zur Kathode zu leiten und die beiden Pole gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Anstelle einer Flüssigkeit kann auch ein Festkörper diese Funktion übernehmen. Dafür geeignete Materialien weisen Leerstellen in ihrer atomaren Gitterstruktur auf. Lithium-Ionen können sie besetzen und sich so "hüpfend" durch den Festkörper bewegen, erklären die Wissenschaftler.
Ionenleitung durch Festkörper-Struktur mit Leerstellen
Forschungszentrum Jülich
"Der Mechanismus läuft allerdings etwas langsamer ab als die Diffusionsvorgänge innerhalb eines flüssigen Elektrolyten. Das erhöht den Widerstand für den Ionentransport, was die abrufbare Leistungsdichte der Batterie verringert", erläutert Dr. Sven Uhlenbruck. "Diese schlechtere spezifische Leitfähigkeit lässt sich aber im Prinzip durch die Ausführung des Elektrolyten als dünne Schicht ausgleichen. Unser Ziel ist es, die Dicke des Feststoffelektrolyten auf wenige Mikrometer zu reduzieren, während die Elektroden in konventionellen Zellen mit Flüssig-Elektrolyt rund 30 Mikrometer auseinander liegen", erklärt der Jülicher Physiker.
Herausforderung: Grenzfläche zwischen festem Elektrolyt- und Elektrodenmaterial
Eine größere technische Schwierigkeit stellt dagegen die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten dar, erklären die Forscher. Einen flüssigen Elektrolyten könnten feinstrukturierte Elektroden wie ein Schwamm aufnehmen. Doch zwei angrenzende Festkörper ließen sich nicht so einfach lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt falle entsprechend höher aus.
"Durch Abstimmung der Herstellungsverfahren ist es uns gelungen, den Gesamtinnenwiderstand der Zelle von 20 Kiloohm auf 2 Kiloohm pro Quadratzentimeter zu reduzieren", berichtet Sven Uhlenbruck. Die Forschung geht weiter. Ziel ist es, durch Verringerung der Elektrolytdicke die Werte heutiger Lithium-Ionen-Batterien von 50 Ohm pro Quadratzentimeter zu erreichen, wobei die Energiedichte aufgrund der Materialeinsparung dann deutlich höher ausfallen dürfte.
Die detaillierten Ergebnisse wurden in der März-Ausgabe des Fachmagazins "Nachrichten aus der Chemie" und in der Fachzeitschrift "Journal of Power Sources" (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.003) veröffentlicht.