Fraunhofer IWM: Keramik-Feststoff-Elektrolyte für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien

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Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat seine neuesten Erkenntnisse veröffentlicht, wie Feststoff-Elektrolyte aus Keramik chemisch zusammengesetzt sein müssen, um gute Leistung in Lithium-Ionen-Batterien zu erbringen. Diese Elektrolyte könnten Lithium-Ionen-Speicher leistungsfähiger und betriebssicherer machen sowie umstrittene Materialien wie Kobalt ersetzen. Der Materialforscher Daniel Mutter stellte seine Ergebnisse nun im Fachmagazine „Journal of Applied Physics“ vor.

„Die Überlegung, dass keramische Festkörper-Elektrolyte eine vielversprechende Alternative für herkömmliche Flüssig-Elektrolyte in Batterien und Akkumulatoren sein könnten, ist in der Materialwissenschaft nicht neu“, erklärt Daniel Mutter, Wissenschaftler der Gruppe Materialmodellierung am Fraunhofer IWM. Sie gelten allgemein als sicherer, da die Explosionsgefahr im Vergleich zu herkömmlichen Flüssig-Elektrolyten geringer sei und auch bei möglichen Beschädigungen keine Säure austreten könne. Allerdings fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien geringer aus.

Die sei bei sogenannten NZP-Keramiken jedoch nicht der Fall, wie die Wissenschaftler nun herausfanden. Sie bestehen aus den chemischen Elementen Natrium, Zirkonium und Phosphor, deren Zusammensetzung variiert werden könne. Der strukturelle Aufbau der NZP-Keramiken ermögliche die Existenz von „Wanderpfaden“, auf denen sich auch Lithium-Ionen leicht fortbewegen könnten, wie die Wissenschaftler herausfanden. Mittels atomistischer Simulationen der chemischen Elemente für NZP-Keramiken konnte das Fraunhofer IWM mehrere vielversprechende Kombinationen identifizieren, wie es weiter hieß.

Bislang konnten Wissenschaftler nicht herausfinden, warum bestimmte Verbindungen leistungsfähiger als andere sind oder welche Kombinationen tatsächlich besonders gute Leistungen erbringen. „Mit dieser computerbasierten Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener chemischer Elementverbindungen machen, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen“, erklärte Mutter. Die tatsächliche Synthese sei teuer und benötige Ressourcen. Für die Simulationen nutzte Mutter den Großrechner des Steinbuch-Supercomputer-Centers am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

„Diese besonders vorteilhaften Keramik-Festkörper-Elektrolyte können wir unter Umständen mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren – das ist bei den heute gebräuchlichen flüssigen Elektrolyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metallischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, so Mutter weiter. Die Ergebnisse sollen im nächsten Schritt mit Partnern praktisch getestet werden. Dann werde sich zeigen, ob die vorhergesagten Elektrolytmaterialien die Ionenleitfähigkeit wie erwartet deutlich steigern und daraus bestehende Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungsdichte erreichen könnten, so der Wissenschaftler. Konkret könnte dies bedeuten, dass die Batterien eine kürzere Ladedauer bei längerer Betriebszeit erreichen würden. Besonders in der Elektromobilität sei dies von großer Bedeutung, da mit den NZP-Keramiken auch die Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter wären, was das Gesamtgewicht der Batterien gegenüber herkömmlichen Modellen reduziere.

Die chemischen Elemente für die Elektrolymaterialien seien zudem zahlreich in der Erdkruste vorhanden und ließen sich leicht abbauen. Ihr Einsatz könnte die Nutzung kritischer Materialien wie Kobalt künftig ersetzen. Mutters Analysen sind Teil eines DFG-geförderten Forschungsprojekts zum Thema „Herstellung und Charakterisierung keramischer Festkörper-Elektrolyte mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit“. Er hat dafür mit dem KIT und der TU München kooperiert.