US-Forscher entwickeln dünnen Feststoffelektrolyten
Das Team des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hat für die aktuellen Arbeiten, deren Ergebnisse im ACS Energy Letter veröffentlicht wurden, auf frühere Studien aufgebaut. Das verwendete Polymer-Bindemittel wurde nun für den Einsatz mit Sulfid-Festkörperelektrolyten optimiert. Das Ziel dieser Studie bestand darin, die bestmögliche Filmdicke zu bestimmen – um sowohl die Ionenleitung als auch die strukturelle Festigkeit zu optimieren.
Aktuelle Festkörperelektrolyte verwenden ein Kunststoffpolymer, das Ionen leitet – ihre Leitfähigkeit ist jedoch viel geringer als die von flüssigen Elektrolyten. Aus diesem Grund werden Polymerelektrolyte teilweise noch Flüssigelektrolyte zugesetzt, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Dann spricht man allerdings von halbfesten Elektrolyten oder Semi-Solid-State-Zellen. Das ORNL fokussiert sich jedoch auf die All-Solid-State-Technologie, um die vollen Potenziale der Feststoff-Zellen zu erschließen, etwa bei der Sicherheit, wenn der brennbare Flüssigelektrolyt entfällt.
Der vom ORNL verwendete Sulfid-Festelektrolyt hat eine Ionenleitfähigkeit, die mit der des flüssigen Elektrolyts vergleichbar ist. „Das ist sehr reizvoll“, sagt Guang Yang vom ORNL. „Die Sulfidverbindungen erzeugen einen leitenden Pfad, der es dem Lithium ermöglicht, sich während des Lade-/Entladevorgangs hin und her zu bewegen.“
Die Forscher entdeckten, dass das Molekulargewicht des Polymerbindemittels entscheidend ist, um haltbare Festkörperelektrolytfilme herzustellen. Filme aus leichten Bindemitteln mit kürzeren Polymerketten haben nicht die nötige Festigkeit, um mit dem Elektrolytmaterial in Kontakt zu bleiben. Filme aus schwereren Bindemitteln mit längeren Polymerketten weisen dagegen eine höhere strukturelle Integrität auf. Außerdem benötigt man weniger langkettiges Bindemittel, um einen guten ionenleitenden Film herzustellen.
„Wir wollen den Polymerbinder minimieren, da er keine Ionen leitet“, erklärt Yang. „Die einzige Funktion des Binders besteht darin, die Elektrolytpartikel im Film zu fixieren. Die Verwendung von mehr Binder verbessert die Qualität des Films, verringert aber die Ionenleitung. Umgekehrt verbessert die Verwendung von weniger Binder die Ionenleitung, beeinträchtigt aber die Filmqualität.“
Mit diversen Untersuchungen von der elektrochemischen Impedanzspektroskopie über Rasterelektronenmikroskopie bis hin zur Röntgenspektroskopie konnten der Polymerfilm und die Leitfähigkeit verbessert werden. „Durch das Verständnis dieser Details konnten wir die Fähigkeit des Elektrolyten verbessern, Ionen effektiv zu leiten und seine Stabilität aufrechtzuerhalten“, so Yang. „Diese detaillierte Analyse ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung zuverlässigerer und effizienterer Festkörperbatterien.“
Das Ergebnis: Die Energiedichte soll auf „mindestens 500 Wattstunden pro Kilogramm“ verdoppelt werden, so der Forscher. Die Zellen sollen in Elektroautos, aber auch in Laptops oder Smartphones die Energiedichte (und damit die Nutzungsdauer zwischen zwei Ladevorgängen) erhöhen können.
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