Die Vorteile von Festkörperbatterien (Solid-State-Batterie) gegenüber Lithium-Ionen-Batterien sind: Betriebssicherheit, Langlebigkeit und eine hohe Energiedichte. Das größte Problem: Die Kompatibilität der Grenzflächen von Kathode und Elektrolyt. Ein internationales Team unter Leitung von Prof. Dr. Seema Agarwal an der Universität Bayreuth hat hierfür eine Lösung gefunden: einen sehr dünnen Festelektrolyten, der aus einem Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff besteht.
Bei dem Festelektrolyten, den das Forscherteam entwickelt hat, handelt es sich um eine Kombination aus einem Polymer und keramischen Nanofasern. Dieser Verbundwerkstoff wird auf die poröse Oberfläche der Kathode aufgetragen. Er füllt die winzigen Hohlräume aus und bildet so einen Festelektrolyten, der einen stabilen Kontakt zur Kathode hat. Dabei ist er nur etwa 7 µm dünn.
Anders als bei früheren Festkörperbatterien umschließt der Elektrolyt nun die Kathode wie eine Hülle. So entsteht eine deutlich bessere 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.
Gehäuse für Batterien der E-Mobility
Zudem erhöht der neue Festelektrolyt die Betriebssicherheit der Batterien. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssige Elektrolyte. „Es besteht immer die Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft. Das führt zum Kurzschluss und Ausfall der Batterie“, erklärt Agarwal. Handys, Laptops und Elektrofahrzeuge sind deswegen schon in Brand geraten und haben schwere Unfälle verursacht. „Ein zusätzliches Problem sind die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode, die sogenannten Grenzflächendendriten. Denn sie durchdringen den Elektrolyten und können zu einem Kurzschluss oder einem Brand führen“, ergänzt sie. „Alle diese Risiken werden durch unseren ultradünnen Festelektrolyten, der eine hohe thermische Stabilität besitzt, beseitigt oder zumindest signifikant verringert.“
Auf einen weiteren Vorteil verweist Dr. Sivaraj Pazhaniswamy aus dem Team von Agarwal: „Wenn statt eines entflammbaren Flüssigelektrolyt ein thermisch stabiler Festelektrolyt verwendet wird, ist es möglich, die Vorteile von Lithium als Anodenmaterial voll auszuschöpfen.“ Gegenüber den Materialien, die in herkömmlichen Flüssigelektrolytbatterien verwendet werden, bietet Lithium unter anderen eine hohe theoretische Kapazität und ein niedriges elektrochemisches Potenzial. „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“, so Pazhaniswamy.
