PSI vermeldet Durchbruch bei Lithium-Metall-Festkörperbatterien

Die Schweizer Forscher haben ein neues Verfahren für stabile und langlebige Festkörperbatterien entwickelt. Sie haben zwei Ansätze kombiniert, um die Elektrolyten zu verdichten und die Grenzflächen zum Lithium zu stabilisieren.

9. Januar 2026 Sandra Enkhardt

Links: Poröser Festelektrolyt, durch den Dendriten (grau) bis zur Lithiumoberfläche (silbern) vordringen; geschützt nur durch eine Grenzschicht (rosa). Rechts: Dicht gesinterter Elektrolyt mit LiF-Beschichtung (blau), die Dendriten stoppt.

Quelle: Paul Scherrer Institut PSI/Jinsong Zhang

Feststoffbatterien gelten als eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batteriespeichern. Allerdings stehen bislang zwei zentrale Punkte der Marktreife im Weg. Dies betrifft zum einen die Bildung von Lithium-Dendriten an der Anode, die zu Kurzschlüssen führen können. Zum anderen besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was langfristig die Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt. Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts PSI haben nun ein neues Fertigungsverfahren entwickelt, um beide Probleme zu lösen.

„Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren“, sagte Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am PSI. Die Ergebnisse hat das Team im Wissenschaftsjournal „Advanced Science“ veröffentlicht.

Im Mittelpunkt der PSI-Arbeiten steht demnach der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl (LPSCl), ein sulfidbasierter Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel. Das Mineral weise eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit auf, was einen schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie ermöglicht – eine wesentliche Voraussetzung für hohe Leistung und effiziente Ladeprozesse, schreiben die Wissenschaftler. Der vielversprechende Elektrolyt habe sich bislang jedoch nicht ausreichend verdichten lassen, um Hohlräume zu vermeiden, in die Lithiumdendriten eindringen könnten. Dafür seien bislang zwei Ansätze verfolgt worden, nämlich Material bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck oder mit einem Heißpressverfahren, bei dem Druck mit Temperaturen von über 400 Grad Celsius kombiniert wird. Beide Methoden erwiesen sich aber als unzureichend.

Das neue Verfahren des PSI, um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, bezieht den Faktor Temperatur zwar mit ein, allerdings auf behutsamere Weise, wie die Forscher berichten. So werde das Mineral unter mäßigem Druck und bei moderater Temperatur von nur etwa 80 Grad Celsius gepresst. Dies führe dazu, dass sich die Partikel wie gewünscht anordneten, ohne die chemische Stabilität des Materials zu verändern. Da die Partikel im Mineral enge Bindungen eingehen, schließen sich auch die Hohlräume. Das Ergebnis, so die Forscher weiter, sei eine kompakte, dichte Mikrostruktur, die gegen das Eindringen von Lithium-Dendriten gewappnet ist. In dieser Form sei der Festelektrolyt bereits bestens für einen schnellen Lithium-Ionen-Transport geeignet.

Diese sanfte Sinterung allein sei aber nicht ausreichend, damit Festkörperbatterien auch bei hohen Stromdichten, wie sie beim schnellen Laden und Entladen auftreten, zuverlässig funktionieren. Das PSI habe daher eine weitere Modifikation vorgenommen. Die Forscher haben eine 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid (LiF) unter Vakuum verdampft und gleichmäßig als ultradünnen Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen. Sie diene als Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt. Die Schicht erfülle dabei gleich zwei Funktionen. Sie verhindert die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt so die Bildung von „totem“, inaktivem Lithium. Außerdem wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.

Das PSI hat seine Neuentwicklung mit Knopfzellen direkt im Labor getestet. Diese hätten dabei auch unter anspruchsvollen Bedingungen sehr gute Leistung gezeigt. Nach 1500 Auf- und Entladevorgängen habe die Zelle noch etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. „Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert“, sagt Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Er zeigte sich daher auch optimistisch, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten.

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