Festkörper-Batterien könnten künftig zur Alternative für Lithium-Akkus werden und Elektroautos zu längeren Reichweiten verhelfen. Doch derzeit sind sie noch nicht langlebig genug. Ein Team des Fritz-Haber-Institutes, der TU München und des Forschungszentrum Jülich weist jetzt jedoch einen Weg, die Lebensdauer der Feststoffbatterien zu erhöhen. Wie aus einer Mitteilung hervorgeht, haben die Forschenden festgestellt, dass Nanoschichten an den Grenzen zwischen den winzigen Kristallkörnern des Feststoff-Elektrolyten zur Stabilisierung der Batterien beitragen können.
Der derzeit noch verwendete flüssige Elektrolyt hat viele Nachteile: Er altert schneller als Feststoffe und ist außerdem leicht brennbar. Bei Autounfällen, in denen die Batterie eingedrückt wird und potentiell auslaufen kann, ist das besonders gefährlich. Gerade das Risiko soll in der nächsten Generation der Elektroautos nicht mehr bestehen, und gleichzeitig sollen deren Batterien mehr Energie speichern können. Deswegen investieren große Automobilhersteller vermehrt in die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien.
Noch ist die kommerzielle Nutzung von Festkörperbatterien jedoch nicht wirtschaftlich. Denn mit den neuen Möglichkeiten ergeben sich auch neue Herausforderungen. Beim Be- und Entladen einer Batterie müssen Ionen – aktuell immer Lithium-Ionen – zwischen den Polen im Inneren hin und her bewegt werden. In Festkörperbatterien erfolgt dieser Weg nicht mehr durch eine Flüssigkeit, sondern durch mehrere, feste Materialien.
Wie es in der Mitteilung heißt, werden die losen Körnchen bei der Herstellung unter hohem Druck erhitzt, so dass sich an den Grenzen der winzigen Kristalle eine Art Schmelzschicht bildet. Diese muss allerdings möglichst dünn sein, da die Ladung hier nicht so effektiv wandert. Die Wissenschaftler kommen nun zu dem Schluss, dass die ungeordneten Schmelzschichten Kurzschlüsse in Feststoffbatterien verhindern und auch dazu beitragen können, deren Lebensdauer zu erhöhen.
Zum anderen könnten die Grenzschichten nach Auffassung der Forschenden die Bildung von Lithiumdendriten unterdrücken. Diese tentakelartigen Gebilde entstehen, wenn in der Batterie Elektronen und Lithium-Ionen aufeinandertreffen. Sie verbinden sich dann, und die entstehenden Lithiumatome wachsen zu verästelten Strukturen, denen die Batterie schnell zum Opfer fallen kann. Verbindet ein metallischer Dendrit nämlich Anode und Kathode, die Pole der Batterie, in deren Innerem, so kommt es zum Kurzschluss und die Batterie ist kaputt. „Die sich natürlich bildende, extrem dünne Schicht zwischen den Körnern in der Batterie ist eine Art Schutzummantelung, die genau das verhindert“, sagt Sina Stegmaier, Doktorandin an der TU München. Denn die Nanoschicht kann auch unerwünschte Elektronen einfangen, wie das Team aus seinen Untersuchungen folgert.
Diese Ergebnisse könnten die Gestaltung von Festkörperbatterien in naher Zukunft wesentlich beeinflussen, heißt es. Gezieltes Grenzflächen-Design zur Ausbildung solcher Schutzummantelungen sei ein vielversprechender Weg, um die nächste Generation sicherer Batterien langlebiger zu machen.
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft – Pressemitteilung vom 9. Juni 2021
