Sichere Lithium-Ionen-Batterie Spezialkeramik als Elektrolyt

Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigem Elektrolyt haben Probleme mit Auslaufen, Überhitzen, Abbrand und Giftigkeit. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben nun einen Feststoff-Lithium-Ionen-Akku vorgestellt. Verbessert wurde die Grenzfläche zwischen festem Elektrolyt- und Elektrodenmaterial.

Feststoff-Lithium-Ionen-Akkus gelten als sichere Batterien der Zukunft, denn anstelle der brennbaren und oft giftigen Flüssigkeiten kommt ein fester Elektrolyt zum Einsatz. Jülicher Forscher um Prof. Olivier Guillon haben nun einen derartigen Energiespeicher geschaffen, den sie im Labor über 350-mal entladen und wieder aufgeladen haben. Diese Bauweise bringt viele Vorteile mit sich: »Bei Unfällen und Fehlern können die Zellen nicht in Brand geraten und nicht auslaufen. Sie könnten eine deutlich längere Lebensdauer haben und sind auf jeden Fall weniger temperaturempfindlich«, erläutert der Leiter des Bereichs Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1) vom Institut für Energie- und Klimaforschung.

Anders als herkömmliche Akkus mit flüssigem Elektrolyt benötigen die unbedenklichen und mechanisch unempfindlichen Festkörperbatterien keine platzraubenden Kühl- und Schutzvorrichtungen. Selbst die unvermeidlich auftretenden Stöße und Vibrationen bei Anwendungen im Automobilbereich verkraften sie ohne aufwendige Stützkonstruktionen.

Aufgabe des Elektrolyten ist es, Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zur Kathode zu leiten und die beiden Pole gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Diese Funktion kann auch ein Festkörper übernehmen. Dafür geeignete Materialien weisen Leerstellen in ihrer atomaren Gitterstruktur auf. Lithium-Ionen können sie besetzen und sich so »hüpfend« durch den Festkörper bewegen. Im vorliegenden Fall besteht die Kathode aus Lithium-Kobaltoxid, der Elektrolyt aus teilsubstituiertem Lithium-Lanthan-Zirkonat und die Anode aus metallischem Lithium.

»Der Mechanismus läuft allerdings etwas langsamer ab als die Diffusionsvorgänge innerhalb eines flüssigen Elektrolyten. Das erhöht den Widerstand für den Ionentransport, was die abrufbare Leistungsdichte der Batterie verringert«, erläutert Dr. Sven Uhlenbruck. »Diese schlechtere spezifische Leitfähigkeit lässt sich aber im Prinzip durch die Ausführung des Elektrolyten als dünne Schicht ausgleichen. Unser Ziel ist es, die Dicke des Feststoffelektrolyten auf wenige Mikrometer zu reduzieren, während die Elektroden in konventionellen Zellen mit Flüssig-Elektrolyt rund 30 Mikrometer auseinander liegen«, erklärt der Physiker.

Eine größere Schwierigkeit stellt die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten dar. Zwei angrenzende Festkörper lassen sich nicht so einfach lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt fällt entsprechend höher aus. »Durch Abstimmung der Herstellungsverfahren ist es uns gelungen, den Gesamtinnenwiderstand der Zelle von 20 Kiloohm auf 2 Kiloohm pro Quadratzentimeter zu reduzieren«, berichtet Sven Uhlenbruck. Die Forschung geht weiter. Ziel ist es, durch Verringerung der Elektrolytdicke die Werte heutiger Lithium-Ionenbatterien von 50 Ω/cm² zu erreichen, wobei die Energiedichte aufgrund der Materialeinsparung dann deutlich höher ausfallen dürfte.