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Hybrid-Elektrolyt für bessere Feststoffbatterien

Fest-Elektrolyt aus Keramikfasern und Polymer könnte Festkörper-Akkus leistungsfähiger machen

Batterie
Ein ultradünner Hybrid-Elektrolyt könnte Feststoffbatterien leistungsfähiger machen. © MF3d/ iStock

Nanofasern für mehr Strom: Ein neuartiger Elektrolyt macht Feststoffbatterien leistungsstärker und langlebiger – und könnte diese vielversprechende Akku-Technologie damit voranbringen. Der ultradünne Fest-Elektrolyt besteht aus keramischen Nanofasern, die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Auf die Kathode aufgetragen, verbesserte dieser Fest-Elektrolyt die Kapazität und Langlebigkeit von Test-Akkus erheblich, wie die Forschenden berichten.

Sicherheit, Langlebigkeit und hohe Energiedichte: Feststoffbatterien sind den gängigen Lithium-Ionen-Akkus in all diesen Eigenschaften überlegen – zumindest theoretisch. Die Festkörper-Akkus haben keinen flüssigen Elektrolyten, der auslaufen oder sich entzünden könnte, ihr Elektrolyt ist fest. Meist besteht er aus kristallinen Lithiumverbindungen oder lithiumhaltigen organischen Polymeren.

Allerdings haben diese Fest-Elektrolyte noch einige Kinderkrankheiten: Anorganische Varianten leiten die Ionen zwar gut und haben eine hohe elektrochemische Stabilität, dafür degradieren die spröden Keramiken bei Kontakt mit Luft schnell und fördern zudem Lithiumablagerungen auf ihrer Oberfläche. Polymer-Elektrolyte sind zwar mechanisch stabiler, dafür aber weniger leitfähig.

Kombination aus keramischen Fasern und Polymer

Eine Lösung für diese Probleme haben nun Sivaraj Pazhaniswamy von der Universität Bayreuth und seine Kollegen vorgestellt. Sie haben einen Fest-Elektrolyten entwickelt, der die Vorteile beider Elektrolytformen in sich vereint, ohne deren Schwächen zu übernehmen. Der neue Hybrid-Elektrolyt besteht aus dem Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF), in das 15 Prozent Nanofasern aus der keramischen Lithiumverbindung LIZO (Li7La3Zr2O12) eingebettet sind.

Aus dieser Materialkombination stellte das Team einen Fest-Elektrolyt her, der aus einer nur sieben Mikrometer dünnen Schicht besteht. Diese Schicht wird auf die poröse Oberfläche der Kathode aufgetragen und umgibt sie wie eine Hülle. Der Elektrolyt füllt dabei die winzigen Hohlräume aus und erhält so einen optimalen und stabilen Kontakt zur Kathode.

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Feststoffbatterie
Aufbau der für die Tests verwendeten Feststoffbatterie. © Pazhaniswamy et al./ Advanced Energy Materials, CC-by 4.0

Bessere Leitfähigkeit für Ionen und hohe Stabilität

Das hat entscheidende Vorteile: Wie Analysen zeigten, verbessern die eingebetteten Nanofasern die Leitfähigkeit und Durchlässigkeit des Elektrolyt-Polymers erheblich. „Die miteinander verknüpften und gut verteilten keramischen Fasern verringern die Kristallinität des Polymers und erhöhen den Anteil der amorphen Phase“, erklären die Forscher . „Dadurch können sich die Lithium-Ionen frei durch die vermehrten Hohlräume und die flexible amorphe Phase des Elektrolyt-Polymers bewegen.“

Die Nanofasern fungieren zudem als eine Art leitfähiges Netzwerk, das den Widerstand des Materials weiter verringert. „Ein zusätzliches Problem sind die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode, die sogenannten Grenzflächendendriten, die den Elektrolyten durchdringen und zu einem Kurzschluss oder einem Brand führen können“, erklärt Seniorautorin Seema Agarwal von der Universität Bayreuth. Dies verhindert der neue Hybrid-Elektrolyt weitgehend, indem er eine gleichmäßige Verteilung der Ionen fördert und die Bildung von Aggregationen hemmt.

Um die Eigenschaften dieses Elektrolyten im praktischen Einsatz zu testen, baute das Forschungsteam ihn in eine Feststoff-Knopfzelle des Typs CR30322 ein. Diese besteht aus einer Lithium-Metall-Anode, einer Lithium-Ferrophosphat-Kathode (LFP) und dem Elektrolyt.

Fortschritt gegenüber gängigen Feststoff-Akkus

Das Ergebnis: Die Feststoffbatterie lieferte eine Anfangskapazität von 166 Milliamperestunden bei einer Kapazitätsrate von 1 und erreichte nach 120 Zyklen noch immer 159 Milliamperestunden mit einer Rate von 0,5, wie Pazhaniswamy und seine Kollegen berichten. Die Coulomb-Effizienz lag bei 99,79 Prozent. „Damit übertrifft sie konventionelle Feststoffbatterien in ihrer spezifischen Kapazität, dem internen Widerstand und der Leistungsrate“, schreibt das Team.

„Nachdem sich unser neuer Fest-Elektrolyt bei seinen Wechselwirkungen mit der Kathode so hervorragend bewährt hat, wollen wir jetzt darauf hinarbeiten, mit einem ähnlichen System auch die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode zu optimieren“, erklärt Pazhaniswamy. (Advanced Energy Materials, 2022; doi: 10.1002/aenm.202202981)

Quelle: Universität Bayreuth

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