Batterietechnik der Zukunft: Hybrid-Elektrolyt führt zu leistungsfähigeren Feststoffbatterien

In der Theorie sind Feststoffbatterien den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus deutlich überlegen. Sie sind sicherer, langlebiger und verfügen über eine höhere Energiedichte. Sie haben keinen flüssigen Elektrolyten, der sich entzünden oder auslaufen könnte, sondern nutzen einen Feststoffelektrolyt. Im Regelfall handelt es sich um einen Keramik-Elektrolyt oder einen Polymer-Elektrolyt. Beide bringen in der Praxis Probleme mit sich. Letztere sind zwar mechanisch recht stabil, aber weniger leitfähig als die Keramik-Alternativen, während erstere beim Kontakt mit Luft schnell degradieren und Lithium-Ablagerungen auf ihrer Oberfläche fördern. Ein Team der Universität Bayreuth hat möglicherweise eine bessere Alternative gefunden. Die Forscher:innen haben einen Fest-Elektrolyten entwickelt, der die Vorteile von Keramik- und Polymer-Elektrolyten miteinander vereint, ohne deren Nachteile mit zu übernehmen.

Hybrid-Elektrolyt vereint Vorzüge zweier Elektrolyt-Arten

Das Team rund um Sivaraj Pazhaniswamy von der Universität Bayreuth hat einen neuen Hybrid-Elektrolyt entwickelt, der aus dem Polymer Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht, das mit 15 Prozent Nanofasern aus der keramischen Lithiumverbindung Lithiumverbindung LIZO (Li7La3Zr2O12) versetzt ist. Diese Materialkombination wurde in einem Fest-Elektrolyt vereint, der aus einer nur sieben Mikrometer dünnen Schicht besteht, die dann auf die poröse Oberfläche der Kathode aufgetragen wird und diese dann wie eine Hülle umgibt. Dabei füllt der Elektrolyt winzige Hohlräume aus, was den Kontakt zur Kathode optimiert.

Analysen der Forscher:innen ergaben, dass die eingebetteten Nanofasern die Leitfähigkeit und Durchlässigkeit des Elektrolyt-Polymers erheblich erhöhen. „Die miteinander verknüpften und gut verteilten keramischen Fasern verringern die Kristallinität des Polymers und erhöhen den Anteil der amorphen Phase. Dadurch können sich die Lithium-Ionen frei durch die vermehrten Hohlräume und die flexible amorphe Phase des Elektrolyt-Polymers bewegen.„, so das Team.

Zudem bilden die Nanofasern eine Art leitfähiges Netzwerk, das den Widerstand des Elektrolyts weiter verringert. „Ein zusätzliches Problem sind die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode, die sogenannten Grenzflächendendriten, die den Elektrolyten durchdringen und zu einem Kurzschluss oder einem Brand führen können„, so Seema Agarwal, die als Seniorautorin an der Studie beteiligt war. Der neue Hybrid-Elektrolyt verhindert dies, indem eine gleichmäßige Verteilung der Ionen gefördert und so die Ansammlung von Lithium gehemmt wird.

Vielversprechende Tests: Ist das die Zukunft der Feststoffbatterie?

Die Forscher:innen testeten ihren Elektrolyten, indem sie ihn in eine Feststoff-Knopfzelle des Typs CR30322 einbauten, die aus einer Lithium-Metall-Anode einer Lithium-Ferrophosphat-Kathode (LFP) und dem Elektrolyt besteht. Die Zelle lieferte eine Anfangskapazität von 166 Mikroamperestunden bei einer Kapazitätsrate von 1. Nach 120 Zyklen erreichte sie immer noch 159 Mikroamperestunden mit einer Rate von 0,5 bei einer Coulomb-Effizienz von 99,79 Prozent. „Damit übertrifft sie konventionelle Feststoffbatterien in ihrer spezifischen Kapazität, der internen Widerstand und der Leistungsrate„, fassen die Forscher:innen ihre Ergebnisse zusammen. „Nachdem sich unser neuer Fest-Elektrolyt bei seinen Wechselwirkungen mit der Kathode so hervorragend bewährt hat, wollen wir jetzt darauf hinarbeiten, mit einem ähnlichen System auch die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode zu optimieren„, erläutert Pazhaniswamy die weiteren Pläne des Teams.

via Universität Bayreuth