Südkoreanische Forscher entwickeln anodenfreie Festkörperbatterie mit nur 2,77 Mikrometern Dicke
Forscher der Dongguk-Universität in Südkorea haben einen Prototyp einer anodenfreien Festkörperbatterie entwickelt, der nach 100 Ladezyklen eine Energiedichte von 235 Wh/l erreicht. Die nur 2,77 Mikrometer dicke Batterie nutzt eine neuartige Zwischenschicht aus Zinn und Kohlenstoff, die dazu beiträgt, Lithiumverluste zu verringern und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Ein Durchbruch für Batterien von Elektrofahrzeugen ist das noch nicht. Der Ansatz könnte jedoch helfen, eine der größten technischen Schwachstellen von Festkörperbatterien zu beheben.
Die Anode bildet sich beim Laden
Die in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials unter dem Titel „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode“ veröffentlichte Studie befasst sich mit der Kontrolle der Lithiumabscheidung in Festkörperbatterien. Bei einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku sind Anode und Kathode getrennt; beim Laden wandern Lithiumionen zwischen ihnen. Das neue Design kommt bei der Herstellung ohne herkömmliche Anodenschicht aus. Beim ersten Laden wandert Lithium von der Kathode zum Stromableiter und bildet dort eine Schicht aus metallischem Lithium.
Dieser Ansatz ermöglicht es, die Batterie kleiner zu bauen und mehr Energie pro Volumeneinheit zu speichern. Das Problem ist jedoch eine ungleichmäßige Lithiumabscheidung, die zu Kapazitätsverlusten und internen Kurzschlüssen führen kann.
Zinn und Kohlenstoff verbessern die Stabilität der Batterie
Die Lösung der Forscher bestand darin, einen Stromableiter aus Kupfer mit einer ultradünnen Zwischenschicht aus Zinn und Kohlenstoff zu versehen.
Zinn fördert den Beginn der Lithiumabscheidung, während Kohlenstoff zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Lithiums beiträgt. Dadurch sinkt das Risiko, dass sich beim Laden unregelmäßige Lithiumstrukturen bilden oder Lithium elektrisch isoliert wird und nicht mehr zur Energiespeicherung beiträgt. Die Forscher nutzten zudem eine Vorlithiierung: Sie fügten dem System einen kleinen Lithiumvorrat hinzu, um irreversible Verluste während der ersten Betriebszyklen auszugleichen.
Der Prototyp kombiniert eine Kathode aus Lithium-Vanadium-Oxid mit einem Festelektrolyten vom Typ LiPON. Die Kathode ist etwa 2 Mikrometer dick, die gesamte Batteriezelle ist 2,77 Mikrometer dick.
Nach 100 Lade- und Entladezyklen erreichte die Zelle eine volumetrische Energiedichte von 235,13 Wh/l. Die Tests erfolgten bei sehr geringer Stromstärke und einer Laderate von 0,01 C.
Energiedichte reicht für Elektrofahrzeuge noch nicht aus
Das Ergebnis zeigt zwar einen neuen Ansatz für die Entwicklung von Festkörperbatterien, doch 235 Wh/l sind nach den Maßstäben heutiger Elektrofahrzeuge kein außergewöhnlicher Wert.
Moderne Lithium-Ionen-Akkus können auf Zellebene Energiedichten von mehreren Hundert Wh/l erreichen. Der Prototyp der Dongguk-Universität kann daher nicht als direkter Konkurrent zu den Batterien für Elektrofahrzeuge gelten, die Toyota, CATL und andere große Batteriehersteller entwickeln.
Wichtiger ist das zugrunde liegende Konstruktionsprinzip. Eine anodenfreie Bauweise könnte künftig den Materialbedarf senken und kompaktere Batteriezellen ermöglichen.
Beim aktuellen Prototyp bleiben jedoch Fragen zur Langzeitbeständigkeit, zum Laden mit hoher Stromstärke, zu den Produktionskosten und zur Übertragung der Technologie auf die Batterieproduktion in großem Maßstab offen.
Der neue Ansatz könnte sich besonders für tragbare Elektronik, medizinische Geräte und kleine Sensoren eignen, bei denen die Abmessungen der Batterie oft wichtiger sind als ihre Energiedichte.
Wichtige Forschungsrichtung für Europas Batterieindustrie
Europäische Batteriehersteller und Automobilkonzerne investieren in Festkörperbatterien, um die Reichweite zu erhöhen, die Sicherheit zu verbessern und die Abhängigkeit von herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus zu verringern.
Die Arbeit der Dongguk-Universität zeigt jedoch, dass der Erfolg von Festkörperbatterien nicht allein von neuen Elektrolyten abhängt. Mindestens ebenso wichtig ist die Kontrolle der Vorgänge an den Grenzflächen der Elektroden.
Der eigentliche Wert der Studie liegt nicht in der Energiedichte von 235 Wh/l, sondern in der Möglichkeit, eine anodenfreie Batterie stabiler zu machen. Wenn Forscher dasselbe Prinzip auf größere Zellen und höhere Ladeströme übertragen können, könnte dies zur Entwicklung der nächsten Batteriegeneration beitragen.
Bislang befindet sich die Technologie noch im Labor. Bevor sie in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden könnte, wäre erhebliche weitere Entwicklungsarbeit nötig.
