Solide

Eine neue All-Solid-State-Lithiumbatterie kann nicht nur fast doppelt so viel Energie speichern wie eine Standard-Lithium-Ionen-Batterie, sie ist auch nicht anfällig für Feuer wie ihre heutigen kommerziellen Pendants. Das Geheimnis hinter dem Erfolg dieses neuartigen Prototyps? Einer neuen Studie zufolge wird eine der üblichen Elektroden einer Batterie entfernt.

Herkömmliche Batterien liefern Strom über chemische Reaktionen zwischen zwei Elektroden – der negativ geladenen Anode, wo Elektronen aus einer Batterie fließen, und der positiv geladenen Kathode, wo Elektronen in eine Batterie eindringen können. Die Elektroden einer typischen Lithium-Ionen-Batterie bestehen aus Substanzen, deren Strukturen elektrisch geladene Lithiumionen speichern und abgeben können. Die Anode besteht häufig aus Graphit, während die Kathode sehr oft aus einem Metalloxid besteht. Diese Elektrodenmaterialien werden auf Metallfolien aufgetragen, die den erzeugten Strom sammeln – für die Anode ist dieses Metall oft Kupfer und für die Kathode Aluminium.

Die Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien interagieren typischerweise über flüssige oder gelförmige Elektrolyte. Stattdessen nutzen Festkörperbatterien Festelektrolyte aus Materialien wie Keramik.

Festelektrolyte sind kompakter als flüssige oder gelförmige Elektrolyte. Das bedeutet, dass Festkörperbatterien bei gleichem Gewicht und Platzbedarf mehr Energie produzieren können als herkömmliche Batterien. Darüber hinaus sind Festkörper-Lithiumbatterien viel sicherer als ihre herkömmlichen Gegenstücke, die organische Flüssigelektrolyte verwenden, die normalerweise brennbar sind.

Es bleibt noch viel ungewiss, wie man am besten eine stabile, nützliche Festkörperbatterie herstellen kann. Frühere Untersuchungen ergaben beispielsweise, dass Festelektrolyte auf Sulfidbasis dabei helfen könnten, Batterien zu entwickeln, die viel Energie speichern können. Allerdings können die Sulfide in diesen Elektrolyten mit beiden Elektroden reagieren und dabei Verbindungen erzeugen, die den Stromfluss innerhalb der Batterien behindern.

Wissenschaftler haben versucht, Festkörperbatterien zu verbessern, indem sie ihre herkömmlichen Graphitanoden ausschließlich durch einen Kupferfolien-Stromkollektor ersetzten. Diese Strategie könnte die Energiekapazität dieser Batterien erheblich steigern. „Sie eliminieren praktisch die Hälfte des internen Materials der Batterie“, sagt der leitende Autor der Studie, David Mitlin, Materialwissenschaftler an der University of Texas in Austin. Durch den geringeren Materialeinsatz sinken auch die Kosten, fügt er hinzu.

Eine zentrale Herausforderung für die Forschung zu anodenfreien Festkörperbatterien ist jedoch das Problem, dass sie Zyklen des Entladens und Wiederaufladens auf stabile Weise durchlaufen. Nun zeigen Forscher in einer neuen Studie, dass eine neue Beschichtung dieses Problem lösen könnte.

Die Wissenschaftler experimentierten mit einer anodenfreien Festkörperbatterie mit einem Festelektrolyten auf Sulfidbasis. Sie untersuchten die Beschichtung des Kupferstromkollektors mit ultradünnem, mit Lithium aktiviertem Tellur. Ziel war es, die Art und Weise zu kontrollieren, in der sich Lithiummetall über das Kupfer ausbreitet oder es „benetzt“. Sie fanden heraus, dass diese neue Beschichtung dazu beitrug, dass sich Lithiummetall in einer dünnen, gleichmäßigen Schicht vom Kupferstromkollektor ablagerte und löste.

Ohne diese neue Beschichtung stellten die Forscher fest, dass die Kupferfolie beim Aufladen und Entladen mit unregelmäßigen mikroskopischen Strukturen bedeckt wurde. Dazu gehören spitze Dendriten, die „zu Batteriekurzschlüssen zwischen Anode und Kathode führen können und werden, was wiederum Batteriebrände verursachen kann“, sagt Mitlin. Dazu gehören auch Klumpen „toten Metalls“ und Krusten aus wabenartigem Material, die die Leistung der Batterie beeinträchtigten. „Es ist, als hätte man einen Motor, der innen von einer dicken Rostschicht bedeckt ist“, sagt er.

Die neue Batterie kann 72 Prozent mehr Energie nach Gewicht und 95 Prozent mehr Energie nach Volumen speichern als handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien. Die Forscher weisen darauf hin, dass sie die neue Beschichtung dieser Kupferstromkollektoren mithilfe von Standardfertigungstechniken herstellen könnten. Dies könnte dazu beitragen, die Produktion dieser neuen Batterien einfacher zu steigern, fügen sie hinzu.

„Diese Ergebnisse könnten wichtige fehlende Verbindungen für die groß angelegte Kommerzialisierung von anodenfreien und Festkörperbatterien sein“, sagt Mitlin.

Obwohl diese Forschung möglicherweise ein kritisches Problem anodenfreier Festkörper-Lithiumbatterien löst, ist noch viel Entwicklungsarbeit erforderlich, um sie tatsächlich auf den Markt zu bringen, warnt Mitlin. „Es ist noch viel Arbeit nötig, um anodenfreie Festkörper-Lithiumbatterien vom Labormaßstab bis zum Prototypenmaßstab zu entwickeln, ganz zu schweigen vom Automobilmaßstab“, sagt er.

Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse online am 23. Februar in der Zeitschrift Advanced Materials.