Feststoffelektrolyte machen Batterien leistungsfähiger

Feststoffelektrolyte sind umweltfreundlicher als herkömmliche Flüssigelektrolyte und könnten Lithium-Ionen-Batterien deutlich leistungsfähiger und betriebssicherer machen.

Bei der Elektromobilität sind sie ebenso gefordert wie in Smartphones und Tablets: Die Batterien. Je leistungsfähiger, umweltfreundlicher und betriebssicher sie sind, umso besser. Forschungen am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM konnten anhand von Simulationen klären, wie Feststoffelektrolyte aus Keramik chemisch zusammengesetzt sein müssen, um gute Leistungen in Lithium-Ionen-Batterien zu erbringen.

Vielversprechende Alternative zu Flüssigelektrolyten

Keramische Festkörperelektrolyte als eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Flüssigelektrolyten in Batterien und Akkumulatoren zu sehen, sei in der Materialwissenschaft nicht neu, erläutert Daniel Mutter, Wissenschaftler der Gruppe Materialmodellierung am IWM. Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigelektrolyten seien Festkörperelektrolyte sicherer im laufenden Betrieb: Sie bergen eine deutlich geringere Explosionsgefahr und bei einer Beschädigung – beispielsweise durch einen Crash – tritt keine Säure aus, die bei Menschen Verätzungen und Vergiftungen hervorrufen kann.

NZP-Keramiken besitzen eine chemische Struktur (NaZr₂(PO₄)₃), die besonders positive Eigenschaften für die Herstellung von Festkörperelektrolyten enthalten. Die Stabilität von NZP-Keramiken wird durch eine charakteristische „Laternen“-Struktur der von den Sauerstoffatomen gebildeten Polyeder um die anderen Elemente ermöglicht. Daraus ergibt sich ein dreidimensionales Netzwerk von Wanderungspfaden für Lithium-Ionen, was zu einer hohen Ionenleitfähigkeit der Keramik führt. Die chemischen Elemente Natrium, Zirkonium und Phosphor können variiert werden. Das macht sie zum interessanten Kandidaten für hochleistungsfähige Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien.

Kürzeres Laden bei längerem Betrieb

„Diese besonders vorteilhaften Keramikfestkörperelektrolyte können wir unter Umständen mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren – das ist bei den heute gebräuchlichen flüssigen Elektrolyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metallischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, erklärt Mutter. „Im nächsten Schritt könnten wir mit Partnern praktisch testen, ob unsere vorhergesagten Elektrolytmaterialien die Ionenleitfähigkeit wie erwartet deutlich steigern und daraus bestehende Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungsdichte erreichen“, sagt der Physiker. Das hieße konkret: Kürzere Ladedauer bei längerer Betriebszeit, was insbesondere für die Elektromobilität von Vorteil wäre. Zudem bedeutet diese Kombination weniger Gewicht, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter sind als die bisher verwendeten Graphitanoden.

Elemente zahlreich vorhanden

Die chemischen Elemente, aus denen die Elektrolytmaterialien bestehen, sind zahlreich in der Erdkruste in Europa vorhanden und verhältnismäßig leicht abbaubar. So wird vermieden, dass Elemente wie etwa Kobalt, das beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien von Smartphones zum Einsatz kommt und oftmals aus dem Kongo importiert wird, zur Herstellung benötigt werden.