Deutsche Forscherteams erhöhen Lebensdauer von Feststoffakkus

Ein Team des Fritz-Haber-Institutes, der TU München und des Forschungszentrum Jülich hat einen Weg entwickelt, die Lebensdauer von Feststoffbatterien für Elektroautos zu erhöhen. Die Forschenden haben festgestellt, dass Nanoschichten an den Grenzen zwischen den winzigen Kristallkörnern des Feststoffelektrolyten zur Stabilisierung der Batterien beitragen können.

Beim Be- und Entladen fließen Ionen durch das Innere der Batterie – noch durch den flüssigen Elektrolyt, bei Feststoffakkus durch mehrere, feste Materialien. Insbesondere an diesen Material- und Korn-Übergangen müsse man sicherstellen, dass die Ionen nicht auf hohe Barrieren treffen, so die Forschenden. Um diese Barrieren so niedrig wie möglich zu halten, wurde nach bisherigem Forschungstand versucht, die bei der Produktion entstehenden Schmelzschichten zwischen den Kristallkörnern des Fest-Elektrolyts so dünn wie möglich zu halten.

Um die losen Kristallkörner zu verbinden (damit die Ionen fließen können) wird das Material unter hohem Druck erhitzt. Berühren sich die Körner, entsteh eine wenige Nanometer dicke Schmelzschicht, die den Ionen den Übergang von einem zum nächsten Kristall ermöglicht. Da die Ladung durch die ungeordnete Grenzschicht jedoch nicht so effektiv wandert wie durch die Kristallkörnchen, versuchen Forschende bislang, die ungeordneten Grenzschichten so dünn wie möglich zu halten.

Das Team aus den erwähnten Forschungsinstituten kommt nun aber zu dem Schluss, dass die Nano-Schmelzschichten eine andere wichtige Funktion in der Batterie übernehmen: Sie verhindern Kurzschlüsse und können dazu beitragen, die Lebensdauer zu erhöhen.

Um dies herauszufinden, musste das Team die Funktion einer Korngrenze im Inneren einer Batterie im Nanobereich untersuchen. „Das ist in der Festkörperbatterie-Forschung noch weitestgehend Neuland“, sagt Rüdiger-A. Eichel, Direktor am Forschungszentrum Jülich und Professor an der RWTH Aachen, „bisher wurden dazu hauptsächlich meso- und makroskopische Untersuchungen durchgeführt. Doch die kommen nicht dicht genug an den Ort des Geschehens ran.“ Mithilfe von Simulationen und experimentellen Untersuchungen sei es gelungen, die Grenzschicht auf atomarem Niveau zu charakterisieren.

Zwei wichtige Ergebnisse: Zum einen verhindern die ungeordneten Grenzschichten, dass Elektronen durch die Kristallkörner des Elektrolyten fließen und zu einem Kurzschluss führen, statt den Weg durch den äußeren Stromkreis zu nehmen und einen Motor anzutreiben. Zum anderen könnten die Grenzschichten nach Auffassung der Forschenden die Bildung von Lithiumdendriten unterdrücken. Sina Stegmaier, Doktorandin an der TU München, spricht von „einer Art Schutzummantelung“, welche die Bildung von Dendriten verhindere.

Diese Ergebnisse könnten die Gestaltung von Festkörperbatterien in naher Zukunft wesentlich beeinflussen. Gezieltes Grenzflächen-Design zur Ausbildung solcher Schutzummantelungen könnte laut den Forschenden ein Weg sein, um die nächste Generation sicherer Batterien langlebiger zu machen.
mpg.de