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Universität Bayreuth

7 µm dünner Festelektrolyt entwickelt

12. Januar 2023, 11:27 Uhr | Ralf Higgelke

Dr. Sivaraj Pazhaniswamy (vorn) und Prof. Dr. Seema Agarwal an einer Anlage für Batterietests in einem Bayreuther Labor für Makromolekulare Chemie.

Festkörperbatterien sind das nächste große Ding bei Batterien. Die wesentliche Herausforderung liegt in der Grenzfläche von Kathode und Elektrolyt. Ein Team an der Universität Bayreuth hat nun einen Festelektrolyt als 7 µm dünne Kathoden-Beschichtung entwickelt.

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Betriebssicherheit, Langlebigkeit und Energiedichte: In diesen Punkten sind Festkörperbatterien den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyten überlegen. Ein großes Problem, das industriellen Anwendungen – etwa im Bereich der Elektromobilität – entgegensteht, ist die Kompatibilität der Grenzflächen von Kathode und Elektrolyt. Ein internationales Team unter Leitung von Prof. Dr. Seema Agarwal, Professorin für Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth, will hierfür eine Lösung gefunden haben: einen nur 7µm dünnen Festelektrolyten, der aus einem Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff besteht.

Bei dem Festelektrolyten, den die Forschenden entwickelt haben, handelt es sich um eine Kombination aus einem Polymer und keramischen Nanofasern. Dieser Verbundwerkstoff wird – ähnlich wie eine Beschichtung – auf der porösen Oberfläche der Kathode aufgetragen. Hier füllt es die winzigen Hohlräume aus und bildet so einen Festelektrolyten, der die Kathode stabil kontaktiert.

Gegenüber früheren Festkörperbatterien zeichnet sich dieses neue System dadurch aus, dass der Elektrolyt die Kathode wie eine Hülle umschließt: So entsteht eine deutlich verbesserte Grenzfläche, die überdies den Vorteil hat, dass sie die Ionen in der Kathode aktiviert. Aufgrund dieser Grenzflächenmodifikation steigert der neue Festelektrolyt sowohl die Energiedichte als auch die Energiespeicherleistung der Batterien.

Dendritenwachstum stark vermindert

Ein weiterer großer Vorteil dieses ultradünnen, mit der Kathode wechselwirkenden Festkörperelektrolyten besteht darin, dass er die Betriebssicherheit der Batterien enorm erhöht. »Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, bereiten immer wieder Sicherheitsprobleme«, erklärt Prof. Agarwal. »Es besteht immer die Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft, was zum Kurzschluss und Ausfall der Batterie führt. Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeuge sind deswegen schon in Brand geraten und haben schwere Unfälle verursacht.«

Weiter führt Agarwal aus: »Ein zusätzliches Problem ist das Wachstum von Dendriten, die den Elektrolyten durchdringen und zu einem Kurzschluss oder einem Brand führen können. Alle diese Risiken werden durch unseren ultradünnen Festelektrolyten, der eine hohe thermische Stabilität besitzt, beseitigt oder zumindest signifikant verringert.«

Potenzial von Lithium voll ausschöpfen

Der Erstautor der Studie, Dr. Sivaraj Pazhaniswamy, verweist auf einen weiteren Vorteil: »Wenn statt eines entflammbaren Flüssigelektrolyt ein thermisch stabiler Festelektrolyt verwendet wird, lassen sich die Vorteile von Lithium als Anodenmaterial voll auszuschöpfen. Gegenüber anderen Materialien, wie sie in herkömmlichen Flüssigelektrolytbatterien zum Einsatz kommen, hat Lithium sehr attraktive Eigenschaften, beispielsweise eine hohe theoretische Kapazität und ein niedriges elektrochemisches Potenzial.«

Pazhaniswamy gibt auch noch einen Ausblick: »Nachdem sich unser neuer Festelektrolyt bei seinen Wechselwirkungen mit der Kathode so hervorragend bewährt hat, wollen wir jetzt darauf hinarbeiten, mit einem ähnlichen System auch die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode zu optimieren.«

Bei der Entwicklung und Erprobung des neuen Festelektrolyten hat das Bayreuther Team mit Forschungspartnern an der University of Chemistry and Technology in Prag und der Jiangxi Normal University in Nanchang (China) zusammengearbeitet.