Festkörperbatterien: Vogelfedern aus dem Labor als möglicher fester Elektrolyt

Vogelfedern könnten den Durchbruch bei Festkörperbatterien ermöglichen. Einer Arbeitsgruppe der ETH Zurich ist es gelungen, aus Polymeren die komplexe Struktur einer Vogelfeder im Labor nachzubilden. Die Anwendungsmöglichkeiten des entstandenen Materials seien vielfältig. Festkörperbatterien seien ein möglicher Kandidat.

Ein besonderer Singvogel aus Nordamerika, der Rotkehl-Hüttensänger, gab den Anstoß für den Forschungsversuch. Sein blaues Federkleid ist nicht auf Farbpigmente zurückführen. Die besonders feine Kanalstruktur in seinen Federn bricht das Licht, sodass dabei ein schimmernder Blauton entsteht. Nur wenigen hundert Nanometer dick, sind die Kanäle. Diese feine Nanostruktur wollten die Forschenden nachbilden.

Dazu verwendeten sie einen durchsichtigen Polymergummi. Das Stück Gummi wurden in einer ölhaltigen Lösung gegeben. Die Wanne mit der Lösung und dem Gummi stellten die Forschenden für mehrere Tage bei 60 Grad Celsius in eine Art Ofen. Dabei schwoll der Gummi an. Der Prozess, der dahintersteckt, nennt sich Phasentrennung. In der Mitteilung erklären die Züricher Wissenschaftler den Prozess mit einem Vergleich von dem Versuch, Essig und Öl zu mischen. Die beiden Flüssigkeiten ließen sich bei erhöhter Temperatur ganz gut vermischen. Kühlen Essig und Öl ab, kommt es zur Phasentrennung und Essig und Öl trennen sich wieder voneinander.

Im Falle des Polymergummis und der ölhaltigen Lösung führt die Phasentrennung zur Bildung eines mikroskopischen Netzwerks an Kanälen, die dann bestehen bleiben. „Wir können die Bedingungen so kontrollieren und bestimmen, dass sich bei der Phasentrennung Kanäle bilden“, sagt Carla Fernández Rico, Erstautorin der Arbeit. „Wir haben es geschafft, den Prozess anzuhalten, bevor die beiden Phasen wieder komplett miteinander verschmelzen.“ Unter dem Mikroskop betrachtet sollen die Kanäle stark dem Kanalnetzwerk der Federn des Rotkehl-Hüttensängers ähneln. Die Kanäle des Vogels seien 200 Nanometer dick. Die künstliche Struktur habe 800 Nanometer dicke Kanäle.

Fester Elektrolyt aus Federn

Das ist aber fein genug. In einer Batterie verbaut, könnten die Kanäle Elektronen transportieren. Und das wäre ein Durchbruch für Festkörperbatterien. Bisher fließen die Elektronen in einer Batterie durch einen flüssigen Elektrolyten. Dabei reagieren die Lithium-Ionen mit dem Elektrolyten und bilden Ablagerungen auf Anoden und Kathode. Das verringert die Kapazität der Batterie, da weniger freie Ionen zur Verfügung stehen. Treffen sich die Ablagerungen zwischen einer Anode und Kathoden, kommt es zum Kurzschluss und die Batterie könnte stark beschädigt werden. Bei Festkörperbatterien soll es dazu nicht kommen. Die nachgeahmte Federstruktur könnte als fester Elektrolyt dienen, teilt die Arbeitsgruppe mit.

„Wir haben ein einfaches System mit nur zwei Bestandteilen, aber die Struktur, die wir erhalten, ist sehr komplex und wird durch die Eigenschaften der Bestandteile gesteuert“, sagt Fernández Rico. „Mehrere Gruppen haben uns kontaktiert und empfehlen den Einsatz von Modellen, um die grundlegenden physikalischen Prinzipien dieses neuen Prozesses zu verstehen und seine Ergebnisse vorherzusagen.“

Grundsätzlich sei der Prozess skalierbar. Der Polymergummi sei kostengünstig, allerdings entstünden hohe Kosten durch die ölhaltige Lösung. Die Forscherin Fernández Rico will an dieser Stelle noch nach günstigeren Alternativen suchen. Außerdem nimmt sie sich vor, noch nachhaltigere Grundstoffe zu verwenden. Der Polymergummi wird aus Erdöl hergestellt. Es gebe aber auch die Möglichkeit, Zellulose oder Chitin zu verwenden.

Die Ergebnisse der Forschungsgruppe sind in einem Beitrag des Fachjournals Nature Materials unter dem Titel „Elastic microphase separation produces bicontinious materials“ erschienen.