Langlebige Festkörperbatterien in Sichtweite

Diese nächste Akku-Generation speichert mehr Energie, ist sicherer und schneller aufladbar als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Details sind in "Advanced Science" nachzulesen.

Zwei Ansätze kombiniert

"Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren", so PSI-Forschungsleiter Mario El Kazzi. Im Mittelpunkt der PSI-Studie stehe der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl, ein sulfidbasierter Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel.

Das Mineral weist eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit auf, was einen schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie ermöglicht - eine wesentliche Voraussetzung für hohe Leistung und effiziente Ladeprozesse. Das macht Argyrodit-basierte Elektrolyten zu vielversprechenden Kandidaten für Festkörperbatterien.

Moderate Wärme und Druck

Zur Verdichtung des Festelektrolyten haben Forscher das Material bisher bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck zusammengepresst oder sie wandten Heisspressverfahren an, die Druck mit Temperaturen von über 400 Grad Celsius kombinieren. Beim letzteren Sintern werden Partikel durch Wärme und Druck zu einer dichteren Struktur verschmolzen.

Um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, ist der Faktor Temperatur nun auf behutsamere Weise einbezogen worden. Anstelle des klassischen Sinterverfahrens wählten die Forscher einen schonenderen Ansatz, bei dem das Mineral unter mässigem Druck und bei moderater Temperatur von nur etwa 80 Grad Celsius gepresst wird.

Die Partikel ordneten sich wie gewünscht an, ohne die chemische Stabilität des Materials zu verändern. Die Partikel im Mineral gingen enge Bindungen ein, poröse Stellen wurden kompakter und kleine Hohlräume schlossen sich. Das Ergebnis ist eine kompakte, dichte Mikrostruktur, die gegen das Eindringen von Lithium-Dendriten gewappnet ist.

Lithiumfluorid-Beschichtung

Doch die Festkörperzelle hat durch die PSI-Forscher eine weitere Modifikation erfahren. Dazu wurde eine 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid unter Vakuum verdampft und gleichmässig als ultradünner Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen - sie dient als Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt.

Diese Schicht erfüllt eine doppelte Funktion: Einerseits verhindert sie die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt so die Bildung von "totem", inaktivem Lithium. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.

In Laborversuchen mit Knopfzellen hat die Batterie unter anspruchsvollen Bedingungen eine aussergewöhnliche Leistung gezeigt. Nach 1500 Auf- und Entladevorgängen hatte die Zelle noch etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. Es wanderten also immer noch drei Viertel der Lithiumionen von der Kathode zur Anode, heisst es abschliessend. (pressetext.com)