Schwerpunkte

Feststoff- statt Flüssig-Elektrolyte

Mit atomaren Simulationen zu neuen Batteriematerialien

10. Januar 2020, 14:58 Uhr   |  Stefanie Eckardt

Mit atomaren Simulationen zu neuen Batteriematerialien
© Fraunhofer IWM

Hoffnungsträger für noch leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien: Festkörper-Elektrolyt (hier LiTi2(PO4)3, Li-grün, Ti-blau, P-lila, O-rot) mit Darstellung der »Wanderungspfade« für Lithium-Ionen (gelbe Bänder).

Leistungsfähige Energiespeicher sind für die Elektromobilität unabdingbar. Hier könnten Lithium-Ionen-Batterien mit keramischen Festkörper-Elektrolyten eine wichtige Rolle spielen. Das Fraunhofer IWM konnte klären, wie Festkörper-Elektrolyten aus Keramik dazu chemisch zusammengesetzt sein müssen.

»Die Überlegung, dass keramische Festkörper-Elektrolyte eine vielversprechende Alternative für herkömmliche Flüssig-Elektrolyte in Batterien und Akkumulatoren sein könnten, ist in der Materialwissenschaft nicht neu«, erklärt Dr. Daniel Mutter, Wissenschaftler der Gruppe Materialmodellierung am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssig-Elektrolyten sind Festkörper-Elektrolyte 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.

Im Allgemeinen fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Eine hohe ionische Leitfähigkeit verspricht jedoch die Klasse der sogenannten NZP-Keramiken: Ihr struktureller Aufbau ermöglicht die Existenz von »Wanderpfaden«, auf denen sich Lithium-Ionen leicht fortbewegen können. Das macht sie zum interessanten Kandidat für hochleistungsfähige Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen Batterien.

Unklar war bisher allerdings, warum bestimmte Verbindungen leistungsfähiger sind als andere und welche tatsächlich besonders gute Leistung erbringen. Die Anforderungen an die Materialeigenschaften von Batterie-Elektrolyten sind beachtlich: Die ionische Leitfähigkeit soll hoch und die verwendeten chemischen Elemente sowohl ungiftig als auch reichhaltig in der Erdkruste vorhanden sein.

Das Fraunhofer IWM identifizierte nun durch atomistische Simulationen mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken, die für diese Anforderungen besonders vielversprechend sind. »Mit dieser computerbasierten Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener chemischer Elementverbindungen machen, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen«, erklärt Dr. Mutter. Der Vorteil: Die tatsächliche Synthese ist teuer und benötigt Ressourcen. Die Simulationen wurden am Großrechner des Steinbuch-Supercomputer-Centers am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt.

Geringeres Gewicht

»Diese besonders vorteilhaften Keramik-Festkörper-Elektrolyte können wir unter Umständen mit 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 Dr. 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«, betont er. Das würden im Endeffekt eine kürzere Ladedauer bei längerer Betriebszeit bedeuten. Darüber hinaus wird durch diese Kombination Gewicht gespart, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter sind als die bisher verwendeten Graphit-Anoden.

Die chemischen Elemente, aus denen die Elektrolytmaterialien bestehen, an denen Dr. Mutter forscht, 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.

Über die Vorhersage vielversprechender Materialzusammensetzungen hinaus trägt Dr. Mutter mit seiner Forschung zum besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken bei. Er fand heraus, dass die für die Lithium-Ionen-Wanderung nötige Migrationsenergie auf eine andere Weise von der Sauerstoffumgebung um den Ionenwanderungspfad abhängt als bisher vermutet. Identifizierte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen deutlich fundiertere Vorhersagen über die Auswirkungen der elementaren Besetzungen auf das Strukturgerüst und die Ionenleitfähigkeit der NZP-Keramiken.

Dr. Mutters Analysen sind Teil eines DFG-geförderten Forschungsprojekts zum Thema »Herstellung und Charakterisierung keramischer Festkörper-Elektrolyte mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit«, das er in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der TU München durchgeführt hat.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Customcells kooperiert mit Keysight bei Zellformierung
Audi arbeitet an geschlossenem Kreislauf für Kobalt und Nickel
Türkei baut ab 2022 eigene Stromer
E-Rennfahrzeug mit Bauteilen aus nachwachsenden Gewebefasern
Organische Batterietechnologie aus recycelbaren Materialien
Joint Venture smart Automobile formell gegründet
Brandenburger Landtag billigt Kaufvertrag mit Tesla

Verwandte Artikel

Fraunhofer IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik), Technische Universität München, KIT - Karlsruher Institut für Technologie