Durchbruch: Ingenieure entwickeln Batterien mit hoher Energiedichte

Elektromobilität setzt voraus, dass Batterien mit entsprechend hoher Energiedichte zur Verfügung stehen. Mit einem simplen, aber genialen Idee verbessern Forschende jetzt die Leistungsfähigkeit von Festkörperbatterien.

Innovative Festkörperbatterien könnten die Elektromobilität weiter voranbringen.

Foto: Panthermedia.net/zentilia

Weltweit arbeiten Ingenieurinnen und Ingenieure an Möglichkeiten, um mehr Energie in Batterien zu packen, ohne deren Gewicht oder Volumen zu vergrößern. Denn bessere Möglichkeiten zur Energiespeicherung sind ein Schlüssel für die Energiewende und damit entscheidend, um den Klimawandel zu begrenzen. Dafür eignen sich Festkörperbatterien besonders gut. Bei dieser Technologie wird der übliche flüssige Elektrolyt, der Ladungen zwischen den Elektroden hin und her transportiert, durch eine feste Elektrolytschicht ersetzt. Solche Batterien könnten nicht nur doppelt so viel Energie bei gleicher Größe speichern, sondern auch die Brandgefahr, die von den heutigen Lithium-Ionen-Batterien ausgeht, praktisch eliminieren.

Trotz dieser Vorteile stand ein Problem dem Durchbruch von Festkörperbatterien bisher im Wege: Instabilitäten an der Grenze zwischen der festen Elektrolytschicht und den beiden Elektroden können die Lebensdauer solcher Batterien drastisch verkürzen. In einigen Studien wurden deshalb spezielle Beschichtungen verwendet, um die Verbindung zwischen den Schichten zu verbessern, was jedoch höhere Kosten für zusätzliche Beschichtungsschritte im Herstellungsprozess verursacht.

Nun haben Forschende am Brookhaven National Laboratory und am MIT eine Methode entwickelt, mit der die Haltbarkeit der beschichteten Oberflächen erreicht oder sogar übertroffen werden kann, ohne dass Beschichtungen erforderlich sind. Sie hoffen auf den baldigen kommerziellen Durchbruch ihres Verfahrens.

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Sintern – ein wichtiger Schritt bei der Herstellung innovativer Batterien

Die neue Methode erfordert lediglich, Kohlendioxid während eines kritischen Herstellungsschritts, dem Sintern, zu eliminieren. Dabei werden die Batteriematerialien erhitzt, um einen Kontakt zwischen der Kathoden- und der Elektrolytschicht herzustellen, die aus keramischen Verbindungen bestehen. Obwohl die Konzentration an Kohlendioxid in der Luft verschwindend gering ist, sind seine Auswirkungen des Gases auf Batterien dramatisch.

Bei dem Sinterschritt in reinem Sauerstoff entstehen Verbindungen, welche die Leistung der besten beschichteten Oberflächen erreichen, ohne dass zusätzlichen Kosten für die Beschichtung entstehen. Das Sintern ist notwendig, weil der Kontakt zwischen Keramikschichten, wenn sie einfach nur aufeinandergepresst werden, alles andere als ideal ist. Es gibt zu viele Lücken, und der elektrische Widerstand an der Schnittstelle erweist sich als zu hoch. Beim Sintern, das bei keramischen Werkstoffen in der Regel bei Temperaturen von 1.000 Grad Celsius oder mehr erfolgt, wandern Atome der beiden Werkstoffe in die jeweils andere Schicht und gehen Verbindungen ein.

Die Experimente haben gezeigt, dass bei Temperaturen von mehr als einigen hundert Grad schädliche Reaktionen stattfinden, die den Widerstand an der Grenzfläche erhöhen – allerdings nur, wenn Kohlendioxid vorhanden ist, und sei es auch nur in winzigen Mengen. Ingenieurinnen und Ingenieure wiesen nach, dass durch die Vermeidung von Kohlendioxid und insbesondere durch die Aufrechterhaltung einer reinen Sauerstoffatmosphäre während des Sinterns eine sehr gute Verbindung bei Temperaturen von bis zu 700 Grad hergestellt werden kann, ohne dass sich schädliche Verbindungen bilden.

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Batterien mit hoher Energiedichte auf dem Weg zur Kommerzialisierung

Das Team untersucht nun im nächsten Teil der Studie die Leistung solcher Batterien. Forschende wollen herausfinden, wie sich diese Verbindungen zwischen Schichten während des Ladens und des Entladens auf lange Sicht verhalten. In der Zwischenzeit könnten die neuen Erkenntnisse möglicherweise schnell auf die Batterieproduktion angewendet werden.

„Was wir vorschlagen, ist ein relativ einfaches Verfahren zur Herstellung der Zellen“, schreiben die Autorinnen und Autoren der Studie. „Die Herstellung ist mit keinen großen Energieverlusten verbunden. Wir glauben also, dass das Verfahren relativ leicht in den Herstellungsprozess integriert werden kann und dass die zusätzlichen Kosten nach unseren Berechnungen vernachlässigbar sein dürften.“

Das Forschungsprojekt wurde vom US Army Research Office über das Institute for Soldier Nanotechnologies des MIT unterstützt. Das Team nutzte Einrichtungen, welche von der National Science Foundation unterstützt wurden, sowie Einrichtungen des Brookhaven National Laboratory, das vom US-Energieministerium gefördert wird.

Große Unternehmen wie Toyota arbeiten bereits an der Kommerzialisierung früher Versionen von Lithium-Ionen-Festkörperbatterien, und diese neuen Erkenntnisse könnten diesen Unternehmen rasch helfen, die Wirtschaftlichkeit und Haltbarkeit der Technologie zu verbessern und kommerziell Batterien herzustellen.

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