Bayreuther Forschende entwickeln festen Elektrolyten für Festkörperbatterien

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Forschende der Universität Bayreuth haben einen Elektrolyten für Festkörperbatterien entwickelt. Dafür haben sie Keramik-Nanofasern und Poly-Vinylidenflourid als Verbundwerkstoff produziert und erfolgreich auf eine Kathode aufgetragen.

Festkörperbatterien haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien mit Flüssigelektrolyten. Allen voran bieten sie höhere Sicherheit, aber auch verbesserte Zyklusstabilität. Trotz großem Interesse und intensiver Forschungsarbeit steht die Kommerzialisierung der Festkörperbatterie noch aus.

Grenzoberflächen inkompatibel

„Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, bereiten immer wieder Sicherheitsprobleme: Es besteht immer die Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft, was zum Kurzschluss und Ausfall der Batterie führt. Handys, Laptops und Elektrofahrzeuge sind deswegen schon in Brand geraten und haben schwere Unfälle verursacht“, sagt die Professorin an der Universität Bayreuth Seema Agarwal. „Ein zusätzliches Problem sind die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode, die sogenannten Grenzflächendendriten, 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.“

Das Problem ist die Kompatibilität der Grenzfläche von Kathode und Elektrolyt. Bisher war es Forschenden nicht gelungen, ein Elektrolyt zu entwickeln, dass eine glatte Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt bildet. Kathoden sind porös. Ein Elektrolyt muss sich dieser Struktur aber perfekt anpassen und dabei fest sein. Nur so lässt sich das Dendritwachstum, der primäre Alterungsmechanismus einer Batterie, vermeiden. Zudem muss der Elektrolyt einen sehr geringen Widerstand aufweisen und dabei idealerweise weniger als 20 Mikrometer dünn sein.

Die Lösung: Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff

Die anspruchsvolle Wunschliste von Materialeigenschaften für Festkörperbatterie konnte nun ein Team um Professorin Seema Agarwal erfüllen. Am Lehrstuhl für makromolekulare Chemie der Universität Bayreuth entwickelten Agarwal und ihre Gruppe einen sehr dünnen Festelektrolyten aus einem Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff. Das Bayreuther Team hat mit Forschungspartnern an der University of Chemistry and Technology in Prag und der Jiangxi Normal University in Nanchang in China zusammengearbeitet.

Die Verbindung aus Polymer und keramischen Nanofasern wird auf der porösen Kathodenoberflächen aufgetragen. Dabei füllt das Material Hohlräume, die auf der Kathode liegen, aus und bildet so einen Festelektrolyten mit sehr stabiler Verbindung. Das nur sieben Mikrometer dünne Material umschließt die Kathode dabei wie eine Hülle.

Das soll laut Aussagen der Forschenden die Grenzfläche der Kathode verbessern und darüber hinaus die Ionen in der Kathode aktivieren. Diese Eigenschaften würden für eine verbesserte Energiedichte und Speicherleistung der Batterien sorgen.

Erste Versuche vielversprechend

In den ersten Versuchen zeigte eine Batterie mit dem Festelektrolyt und einer Lithium-Eisenphosphatkathode eine anfängliche spezifischen Kapazität von 166 Milliamperestunden. Nach 120 Zyklen behielt die Batterie noch 100 Prozent ihrer Eingangskapazität. Die Forschenden ziehen aus ihren Ergebnissen, dass ihr neuartiger Elektrolyt im Vergleich zu bisher versuchten Festkörperelektrolyten eine verbesserte spezifische Kapazität, geringeren Widerstand und höhere Ladeleistungen bietet. Dabei soll das Material einfach in der Anwendung kostengünstig und robust sein, sagen die Forschenden. Außerdem lasse es sich ihrer Ansicht nach im großen Maßstab herstellen.

„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“, sagt der Erstautor der Studie, Sivaraj Pazhaniswamy.

Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe erschienen im wissenschaftlichen Journal Advance Energy Materials unter dem Titel „Hybrid Polymer Electrolyte Encased Cathode Particles Interface-Based Core-Shell Structure for High-Performance Room Temperature All-Solid-State Batteries“.

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