Ultradünne Festelektrolyten entwickelt

Betriebssicherheit, Langlebigkeit und hohe Energiedichte: In diesen Punkten sind Festkörper-Batterien vom Prinzip her den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyten überlegen. Ein großes Problem, das industriellen Anwendungen – etwa im Bereich der Elektromobilität – entgegensteht, ist die Kompatibilität der Grenzflächen von Kathode und Elektrolyt. Ein internationales Team unter Leitung von Seema Agarwal an der Uni Bayreuth hat hierfür eine Lösung gefunden: einen sehr dünnen Festelektrolyten, der aus einem Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff besteht.

Bei dem Festelektrolyten, den das Team entwickelt hat, handelt es sich um eine Kombination aus einem Polymer und keramischen Nanofasern. Dieser Verbundwerkstoff wird – ähnlich wie eine Beschichtung – auf der porösen Oberfläche der Kathode aufgetragen. Hier füllt es die winzigen Hohlräume aus und bildet so einen Festelektrolyten, der einen stabilen Kontakt zur Kathode hat. Dabei ist er nur etwa sieben Mikrometer dünn. Gegenüber früheren Festkörper-Batterien zeichnet sich dieses neue System dadurch aus, dass der Elektrolyt die Kathode wie eine Hülle umschließt. So entsteht eine deutlich verbesserte Grenzfläche, die zudem den Vorteil hat, dass sie die Ionen in der Kathode aktiviert. Aufgrund dieser Grenzflächenmodifikation steigert der neue Festelektrolyt sowohl die Energiedichte als auch die Energiespeicherleistung der Batterien.

Ein weiterer großer Vorteil dieses ultradünnen, mit der Kathode wechselwirkenden Festkörper-Elektrolyten besteht darin, dass er die Betriebssicherheit der Batterien enorm erhöht. „Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, bereiten immer wieder Sicherheitsprobleme. Es besteht immer die Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft, was zum Kurzschluss und Ausfall der Batterie führt“, erklärt Agarwal. „Handys, Laptops und Elektrofahrzeuge sind deswegen schon in Brand geraten und haben schwere Unfälle verursacht. Ein zusätzliches Problem stellen die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode dar, die den Elektrolyten durchdringen und zu einem Kurzschluss oder einem Brand führen können. Alle diese Risiken werden durch unseren ultradünnen Festelektrolyten, der eine hohe thermische Stabilität besitzt, beseitigt oder zumindest signifikant verringert.“

 Wenn statt eines entflammbaren Flüssigelektrolyt ein thermisch stabiler Festelektrolyt verwendet wird, ist es möglich, die Vorteile von Lithium als Anodenmaterial voll auszuschöpfen. Gegenüber anderen Materialien, wie sie in herkömmlichen Flüssigelektrolyt-Batterien zum Einsatz kommen, hat Lithium hochattraktive Eigenschaften, beispielsweise eine hohe theoretische Kapazität und ein niedriges elektrochemisches Potenzial. Nachdem sich der Festelektrolyt bei seinen Wechselwirkungen mit der Kathode so hervorragend bewährt hat, wollen die Forscher jetzt darauf hinarbeiten, mit einem ähnlichen System auch die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode zu optimieren.

U. Bayreuth / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Pazhaniswamy et al.: Hybrid Polymer Electrolyte Encased Cathode Particles Interface-Based Core–Shell Structure for High-Performance Room Temperature All-Solid-State Batteries, Adv. Energy Mat. 2022, 2202981 (2022); DOI: 10.1002/aenm.202202981
• Research Group Agarwal, Makromolekulare Chemie II, Universität Bayreuth