Elastischer Elektrolyt adressiert Schwächen von Feststoffakkus

Ein Silikonpolymer mit funktionalen Gruppen soll als Elektrolyt in Feststoffbatterien dienen. Die elastischen Eigenschaften könnten Kontaktprobleme und Dendritenbildung reduzieren.

Ein Forschungsteam der Empa hat einen ionenleitenden Festelektrolyten auf Basis eines modifizierten Polysiloxans entwickelt. Das Material verbindet laut der Schweizer Forschungseinrichtung mechanische Flexibilität mit ausreichender Steifigkeit, um Probleme gängiger Feststoffbatteriesysteme gezielt anzugehen – darunter Dendritenbildung an Lithiummetall-Anoden und Kontaktverluste durch Volumenänderungen während des Ladezyklus.

Kern des Ansatzes ist ein Polysiloxan, dessen Rückgrat mit funktionalen Gruppen ausgestattet wurde, um die intrinsische Apolarität des Silikons zu überwinden. Während herkömmliche Silikone kaum Ionen lösen oder transportieren können, so die Forschenden, entstehe durch die gezielte chemische Modifikation ein Polymer, das ionisch leitfähig sei, ohne seine mechanischen Eigenschaften einzubüßen. Die Empa positioniert den Werkstoff damit zwischen klassischen polymeren Festelektrolyten und eher starren, anorganischen Festkörpersystemen.

Nachteile von Lithiummetall-Anoden adressiert

Besonders relevant ist das Material für Batteriekonzepte mit Lithiummetall-Anoden, die als Schlüsseltechnologie für hohe Energiedichten gelten. Diese Systeme sind jedoch anfällig für zwei mechanisch bedingte Degradationsmechanismen: Einerseits das Wachstum baumartiger Lithiumdendriten, die bei starren Elektrolyten die Kathode erreichen und Kurzschlüsse verursachen können. Andererseits treten beim Entladen Hohlräume in der Anode auf, wenn Lithiumionen aus dem Metall diffundieren und sich der Elektrodenkörper lokal zusammenzieht. Beides kann die Lebensdauer und Sicherheit von Feststoffzellen erheblich beeinträchtigen.

Der neue Elektrolyt soll beide Effekte gleichzeitig adressieren. Seine Festigkeit wirke dem Dendritenwachstum entgegen, während seine Elastizität es ermögliche, topografische Veränderungen an der Anodenoberfläche auszugleichen und so den Kontakt über viele Ladezyklen hinweg zu stabilisieren. Die Forschenden sprechen damit gezielt einen mechanischen Zielkonflikt an, der Feststoffbatterien bisher begrenzt hat.

Neue Anwendungsfelder

Die Materialklasse soll darüber hinaus neue Anwendungsfelder im Bereich flexibler Energiespeicher eröffnen. Da das Polymer sowohl als Elektrolyt als auch als Bindematerial in der Kathode eingesetzt werden kann, sollen sich vollflexible Zellen realisieren lassen, die etwa für medizinische Implantate interessant sind. 

Auch aus Fertigungsperspektive weist das Material laut Empa Vorteile auf. Der Elektrolyt lasse sich zu wenige Mikrometer dünnen Schichten verarbeiten und gelte als gut skalierbar. Bei industrieller Produktion könnte der Silikonabkömmling kostengünstiger sein als etablierte polymerbasierte Festelektrolyte.

Das Team arbeitet derzeit an der weiteren Steigerung der Ionenleitfähigkeit und sucht industrielle Partner für den Technologietransfer und eine potenzielle Kommerzialisierung.