Mehr Sicherheit bei Energiespeichern ETH Zürich entwickelt neuen Festkörperakku

Eine Scheibe des weißen Lithiumgranat-Elektrolyten, beschichtet mit einer schwarzen Lithiumverbindung als Minuspgarol im Labor der ETH-Forschenden.
Eine Scheibe des weißen Lithiumgranat-Elektrolyten, beschichtet mit einer schwarzen Lithiumverbindung als Minuspgarol im Labor der ETH-Forschenden.

An der ETH Zürich wurde ein Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der komplett aus festem Material besteht – er enthält weder Flüssigkeiten noch Gele. Vorteil: Bei hohen Temperaturen kann er sich nicht entzünden. Somit hat er einen entscheidenden Sicherheitsvorteil im Vergleich zu herkömmlichen Batterien.

In klassischen Lithium-Ionen-Akkus sind der Plus- und Minuspol aus festen leitenden Verbindungen gefertigt; dazwischen bewegen sich Ladungen in einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten. Wird ein derartiger Akku unsachgemäss aufgeladen oder in der Sonne liegengelassen, kann sich die Flüssigkeit entzünden oder das Gel kann aufquellen.

Anders in sogenannten Festkörperakkus, die sich zurzeit in vielen Forschungslabors weltweit in Entwicklung befinden: In ihnen sind nicht nur die Elektroden, sondern auch der dazwischenliegende Elektrolyt aus festem Material gefertigt. Feste Elektrolyte beginnen nicht zu brennen, selbst wenn sie sehr stark erhitzt werden oder offen an der Luft liegen.

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Festkörperakkus ist, Elektroden und Elektrolyt so miteinander zu verbinden, dass Ladungen möglichst widerstandsfrei zwischen ihnen zirkulieren können. Für diese Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche hat die ETH nun einen verbesserten Herstellungsansatz gefunden. Im Labor wurde ein sandwichartig aufgebauter Akku hergestellt: Zwischen den beiden Elektroden liegt eine Schicht Lithiumgranat als fester Elektrolyt. Lithiumgranat gehört zu den Materialien mit der höchsten bekannten Leitfähigkeit für Lithium-Ionen. Bei der Herstellung wurde dafür gesorgt, dass die feste Elektrolytschicht eine poröse Oberfläche erhielt. Darauf trugen die Forscher das Material des Minuspols in flüssiger Form auf; es konnte in die Poren eindringen. Schliesslich wurde der Akku bei 100 °C gehärtet, was mit einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten nicht funktioniert hätte. Durch die Poren konnte die Kontaktfläche zwischen Minuspol und Elektrolyt stark vergrößert werden, was letztlich den Effekt hat, dass der Akku schneller geladen werden kann.