Hohe Lade-und Entladeströme FZ Jülich entwickelt schnell­ladefähige Fest­körper­batterie

Testaufbau für die neue Festkörperbatterie des FZ Jülich: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, das die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt.
Testaufbau für die neue Festkörperbatterie des FZ Jülich: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, das die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt.

Das Forschungzentrum Jülich hat eine neue Festkörperbatterie vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung konnte durch neue Materialien erzielt werden. Im Vordergrund stand hier die gute Passfähigkeit.

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen, insbesondere als Energiespeicher für zukünftige Elektrofahrzeuge, verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings haben Festkörperbatterien auch einen entscheidenen Nachteil nämlich die geringe Stromstärke. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum Laden benötigen. Etwa 10 bis 12 Stunden dauert es üblicherweise, bis eine Festkörperbatterie wieder voll ist. Im Vergleich dazu benötigt der neue Zelltyp, der am Forschungszentrum Jülich entwickelt wurde, weniger als eine Stunde, bis er wieder aufgeladen ist.

»Mit den bisher beschriebenen Konzepten waren nur sehr geringe Lade-und Entladeströme möglich, die sich auf Probleme an den internen Festkörper-Grenzflächen zurückführen lassen. Hier setzt unser Konzept an, das auf einer günstigen Kombination der Materialien beruht und das wir auch schon patentiert haben«, erklärt Dr. Hermann Tempel, Arbeitsgruppenleiter am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.

Fester Elektrolyt als Trägermaterial

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien kommt ein flüssiger Elektrolyt zum Einsatz, der die Elektroden in der Regel sehr gut kontaktiert. Mit ihrer strukturierten Oberfläche nehmen die Elektroden die Flüssigkeit auf wie ein Schwamm, sodass eine große Kontaktfläche entsteht. Zwei Festkörper lassen sich prinzipiell nicht derart lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt fällt entsprechend höher aus.

»Um dennoch einen möglichst großen Stromfluss über die Schichtgrenzen hinweg zu ermöglichen, haben wir alle Komponenten aus sehr ähnlichen Materialien aufgebaut. Anode, Kathode und Elektrolyt wurden alle aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) zu ermöglichen. Das ist zehnmal höher als die Werte, die man sonst in der Fachliteratur findet«, erläutert Tempel den Unterschied.

Als stabiles Trägermaterial dient der feste Elektrolyt, auf den die Phosphat-Elektroden beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden. Die verwendeten Materialien sind preisgünstig und leicht zu verarbeiten. Zudem kommt die neue Festkörperbatterie im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus.

Erste Test demonstrierten, dass die neue Batteriezelle über 500 Lade- und Entladezyklen recht stabil ist und nach diesen Zyklen immer noch 84 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität aufweist.