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Stabile Festkörper-Lithiumbatterie im Sandwich-Design

Harvard University, SEAS, Lithium Metal Solid-State Battery
Die neue Lithiummetall-Batterie ähnelt einem Sandwich: Zuerst kommt die Brotscheibe – die Anode aus metallischem Lithium –, gefolgt von Salat, eine Schicht aus Graphit. Dann eine Schicht Tomaten – der erste Elektrolyt – und eine Schicht Speck, der zweite Elektrolyt. Den Abschluss bilden eine weitere Schicht Tomaten und ein letztes Stück Brot, die Kathode.
© Lisa Burrows/Harvard SEAS

Wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte gilt eine Festkörper-Lithiumbatterie als der heilige Gral der Batteriechemie, aber das Wachstum von Dendriten hat bisher eine Kommerzialisierung verhindert. Mit einem Sandwich-Design will ein Team der Harvard-Universität dieses Problem gelöst haben.

Langlebige, schnell aufladbare Batterien sind unerlässlich, damit der Markt für Elektrofahrzeuge weiter wachsen kann. Allerdings erfüllen die heutigen Lithium-Ionen-Batterien nicht die Anforderungen, denn sie sind zu schwer, zu teuer und brauchen zu lange zum Aufladen. Seit Jahrzehnten versuchen Forscher daher, das Potenzial von Lithium-Metall-Festkörperbatterien zu nutzen, die bei gleichem Volumen wesentlich mehr Energie speichern und im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in einem Bruchteil der Zeit geladen werden können.

»Eine Lithiummetall-Batterie gilt wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte als der heilige Gral der Batteriechemie«, erklärt Xin Li, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). Er ergänzt: »Leider waren diese Batterien bisher nicht sehr stabil.«

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Harvard University, SEAS, Lithium Metal Solid-State Battery
Associate Professor Xin Li und sein Team haben eine stabile Lithiummetall-Batterie entwickelt, die mindestens 10.000 Mal geladen und entladen werden kann.
© Eliza Grinnell/Harvard SEAS

10.000 Ladezyklen demonstriert

Jetzt haben Li und sein Team eine beständige Lithiummetall-Festkörperbatterie entwickelt, die mit hohen Strömen mindestens 10.000 Mal geladen und entladen werden kann – weit mehr Zyklen als bisher gezeigt wurden. Die Forscher kombinierten das neue Design mit einem marktgängigen Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte.

Diese Batterietechnologie könnte die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen auf das Niveau von Benzinautos von zehn bis 15 Jahren anheben, ohne die Batterie austauschen zu müssen. Mit ihrer Fähigkeit, mit hohen Strömen aufgeladen werden zu können, könnte die Batterie den Weg für Elektrofahrzeuge ebnen, die sich in nur zehn bis zwanzig Minuten vollständig aufladen lassen.

Die große Herausforderung bei Lithiummetall-Batterien war schon immer die Chemie. Während des Ladens wandern Lithiumionen von der Kathode zur Anode. Besteht die Anode aus metallischem Lithium, bilden sich auf der Oberfläche sogenannte Dendriten, nadelartige Strukturen. Diese wachsen wie Wurzeln in den Elektrolyten und durchstechen die Barriere zwischen Anode und Kathode. Dadurch wird die Batterie kurzgeschlossen oder fängt sogar Feuer.

Dendriten-Wachstum kontrolliert begrenzen

Um diese Herausforderung anzugehen, entwarfen Li und sein Team eine Batterie mit mehreren Lagen, die verschiedene Materialien mit unterschiedlicher Stabilität zwischen Anode und Kathode einschließt. Diese mehrlagige Multimaterial-Batterie verhindert, dass Lithium-Dendriten eindringen, nicht indem sie sie vollständig verhindert, sondern indem sie deren Wachstum steuert und eingrenzt.

Harvard University, SEAS, Lithium Metal Solid-State Battery
Die neue Lithiummetall-Batterie ähnelt einem Sandwich: Zuerst kommt die Brotscheibe – die Anode aus metallischem Lithium –, gefolgt von Salat, eine Schicht aus Graphit. Dann eine Schicht Tomaten – der erste Elektrolyt – und eine Schicht Speck, der zweite Elektrolyt. Den Abschluss bilden eine weitere Schicht Tomaten und ein letztes Stück Brot, die Kathode.
© Lisa Burrows/Harvard SEAS

Vergleichen lässt sich die Batterie mit einem Sandwich. Zuerst kommt die Brotscheibe ­– die Anode aus metallischem Lithium –, gefolgt von Salat, einer Schicht aus Graphit. Als Nächstes kommt eine Schicht Tomaten – der erste Elektrolyt – und eine Schicht Speck, der zweite Elektrolyt. Den Abschluss bilden eine weitere Schicht Tomaten und abschließend ein weiteres Stück Brot, die Kathode.

Der erste Elektrolyt (chemische Bezeichnung Li5.5PS4.5Cl1.5 oder LPSCI) ist stabiler mit Lithium, aber anfällig für das Eindringen von Dendriten. Der zweite Elektrolyt (Li10Ge1P2S12 oder LGPS) ist weniger stabil gegenüber Lithium, scheint aber immun gegen Dendriten zu sein. Bei diesem Design können die Dendriten durch den Graphit und den ersten Elektrolyten wachsen, werden aber aufgehalten, wenn sie den zweiten Elektrolyten erreichen. Mit anderen Worten: Die Dendriten wachsen durch den Salat und die Tomate hindurch, werden aber am Speck gestoppt. Die Speckbarriere hält die Dendriten davon ab, durchzustoßen und die Batterie kurzzuschließen.

»Unsere Strategie, eine Instabilität einzubauen, um die Batterie zu stabilisieren, erscheint kontraintuitiv«, erklärt Luhan Ye, Co-Autor der Arbeit und Doktorand am SEAS. »Aber so wie ein Dübel eine Schraube in einer Wand führen und kontrollieren kann, so kann auch unser mehrlagiges Design das Wachstum von Dendriten steuern und kontrollieren.« Professor Li ergänzt: »Der Unterschied ist, dass unser Dübel schnell zu eng wird, damit der Dendrit ihn durchbohren kann. Dadurch stoppt das Dendritenwachstum.«

Die Batterie ist auch selbstheilend; aufgrund ihrer Chemie kann sie die Löcher, die durch die Dendriten entstehen, wieder auffüllen.

»Unsere Konzeptstudie zeigt, dass Lithiummetall-Festkörperbatterien wettbewerbsfähig zu handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien sein könnten«, meint Li. »Und die Flexibilität und Vielseitigkeit unseres mehrlagigen Designs macht es potenziell kompatibel mit Verfahren der Massenproduktion in der Batterieindustrie. Es wird nicht einfach sein, die Batterie auf kommerzielle Größenordnungen zu skalieren. Außerdem gibt es noch einige praktische Herausforderungen, aber wir glauben, dass wir sie überwinden können.«

Originalpublikation

Ye, L., Li, X. A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries. Nature 593, 218–222 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03486-3


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