Lithium-Ionen-Batterien Feststoff-Elektrolyte aus Keramik versprechen mehr Leistung

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).
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).

Elektromobilität, mobile Geräte und regenerative Energien brauchen starke und langlebige Energiespeicher. Das Fraunhofer-Institut IWM forscht daran, wie Li-Ionen-Batterien mit Feststoff-Elektrolyten leistungsstärker, umweltschonender und sicherer werden. NZP-Keramiken scheinen sehr gut geeignet.

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. Das sind die Vorteile.

Doch im Allgemeinen fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien, und damit die Eignung als effizienter Energiespeicher, deutlich geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Das Team um Dr. Daniel Mutter der Fraunhofer-Gruppe Materialmodellierung hat auf diesem Gebiet deutliche Fortschritte gemacht und geeignete chemische Verbindungen zur Gestaltung von Festkörper-Elektrolyten entdeckt. Sogenannte NZP-Keramiken versprechen eine hohe ionische Leitfähigkeit, 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. Neben der guten Leitfähigkeit müssen die Batterie-Elektrolyten sowohl ungiftig als auch reichhaltig in der Erdkruste vorhanden sein.

Computersimulation statt chemischer Synthese

Mithilfe atomistischer Simulationen konnte Dr. Mutter mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken identifizieren, die besonders vielversprechend sind. »Mit computerbasierter Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener chemischer Elementverbindungen machen, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen«, erklärt der Forscher. Der Vorteil: Die tatsächliche Synthese ist teuer und benötigt Ressourcen. Die Simulationen führte er am Großrechner des Steinbuch-Supercomputer-Centers am Karlsruher Institut für Technologie durch.

Kürzeres Laden bei längerem Betrieb

Laut Mutter könnten die Keramik-Festkörper-Elektrolyte mit Lithium-Metall-Anoden kombiniert werden und die so aufgebauten Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungsdichte erreichen. Das soll bald praktisch getestet werden.  Denn wenn die Elektrolytmaterialien die Ionenleitfähigkeit in der Realität deutlich steigern hieße das konkret: Elektroautos müssten kürzer geladen werden und könnten längere Reichweiten erzielen. Außerdem würden die Batterien deutlich leichter werden, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich weniger wiegen als bisher verwendete Graphit-Anoden.

Grüne Lieferkette zur Batterieherstellung

Die chemischen Elemente, aus denen die Elektrolytmaterialien der Fraunhofer-Forschung bestehen, sind zudem zahlreich in Europa vorhanden und verhältnismäßig leicht abbaubar. Elemente wie etwa Kobalt, das beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien steckt und oftmals aus dem Kongo importiert wird, könnten vermieden werden.

Neben den Erkenntnissen für die Batterieforschung lassen sich auch die atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken besser verstehen. Dr. Mutter 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. Die Analysen sind Teil eines DFG-geförderten Forschungsprojekts zum Thema »Herstellung und Charakterisierung keramischer Festkörper-Elektrolyte mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit«, das das Fraunhofer IWM in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der TU München durchgeführt hat.

Hintergrundwissen: NZP-Keramiken

Die Klasse der NZP-Keramiken ist seit den 1960er Jahren bekannt und wird auch mit dem Begriff NASICON bezeichnet. Ihren Namen erhielt sie von der chemischen Struktur NaZr2(PO4)3, für die besonders positive Eigenschaften für die Herstellung von Festkörper-Elektrolyten entdeckt wurden. Die Stabilität von NZP-Keramiken wird durch eine charakteristische »Laternen«-Struktur der von den Sauerstoffatomen gebildeten Polyeder um die anderen Elemente ermöglicht. Daraus ergibt sich ein dreidimensionales Netzwerk von Wanderungspfaden für Lithium-Ionen, was zu einer hohen Ionenleitfähigkeit der Keramik führt. Die chemischen Elemente Natrium, Zirkonium und Phosphor können variiert werden. So kann – wie in der Grafik zu sehen – Natrium durch Lithium und Zirkonium durch Titan ersetzt werden. Die Variierbarkeit der Elemente ermöglicht, die Materialeigenschaften für eine Vielzahl elementarer Kombinationen computergestützt zu analysieren.