Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI ist nach eigenen Angaben ein Durchbruch auf dem Weg zur praktischen Anwendung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien gelungen. Festkörperbatterien gelten als vielversprechende Lösung für Elektromobilität, mobile Elektronik und stationäre Energiespeicherung – unter anderem, weil sie keine brennbaren flüssigen Elektrolyte benötigen und daher grundsätzlich sicherer sind als herkömmliche Lithiumionen-Batterien. Allerdings stehen zwei zentrale Probleme der Marktreife im Weg: Einerseits bleibt die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode ein kritischer Punkt – winzige nadelartige Metallstrukturen, die den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden durchdringen, sich in Richtung Kathode ausbreiten und letztlich interne Kurzschlüsse verursachen. Andererseits besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt.
Um diese beiden Hindernisse zu überwinden, entwickelte das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am Paul Scherrer Institut PSI, ein neues Fertigungsverfahren: »Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren«, so der Wissenschaftler. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team im Wissenschaftsjournal Advanced Science.
In Laborversuchen mit Knopfzellen zeigte die Batterie unter anspruchsvollen Bedingungen eine nach Angaben des PSI »außergewöhnliche« Leistung. Nach 1.500 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. Ein herausragendes Ergebnis. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden« sagt Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Zhang sieht deshalb gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten.
El Kazzi und sein Team zeigen damit, dass die Kombination aus mildem Sintern des Festelektrolyten und einer dünnen Passivierungsschicht auf der Lithium-Anode sowohl die Dendritenbildung als auch die Grenzflächeninstabilität wirksam unterdrückt – zwei der hartnäckigsten Herausforderungen bei Festkörperbatterien. Diese kombinierte Lösung markiert nach Einschätzung des Forscherteams einen wichtigen Fortschritt für die Festkörperbatterieforschung. »Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis«, so El Kazzi. »Noch ein paar zusätzliche Anpassungen – und wir könnten loslegen.«
© PHOTON
