Bringt der Hitze-Trick die Festkörperbatterie voran?
PSI-Forschende lösen das Temperaturproblem: Sanftes Sintern bei 80 °C und eine LiF-Schutzschicht stoppen Dendriten und stabilisieren Festkörperbatterien.
PSI-Forschende zeigen in einer aktuellen Studie, wie sich Festkörperbatterien kostengünstig, effizient und langlebig produzieren lassen. Das Bild zeigt eine Testzelle, in der die am PSI entwickelte Festkörperbatterie hergestellt und getestet wird.
Foto: © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic;
PSI-Durchbruch in Kürze
- Institut: Paul Scherrer Institut (PSI)
- Batterietyp: Lithium-Metall-Festkörperbatterie
- Festelektrolyt: Argyrodit (Li6PS5Cl)
- Schlüsselinnovation: Sanftes Sintern bei 80 °C + LiF-Schutzschicht
- Schutzschicht: 65 nm Lithiumfluorid (Vakuumbedampfung)
- Ziel: Unterdrückung von Dendriten und stabile Grenzfläche
- Ergebnis: 75 % Kapazität nach 1500 Zyklen
Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben eine Methode entwickelt, um die Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Metall-Festkörperbatterien zu erhöhen. Durch eine Kombination aus einem Niedrigtemperatur-Sinterverfahren bei 80 °C und einer hauchdünnen Lithiumfluorid-Beschichtung (65 nm) unterdrücken sie das Wachstum von Kurzschlüssen (Dendriten). In Tests behielten die Zellen nach 1500 Zyklen noch 75 % ihrer Kapazität.
Inhaltsverzeichnis
Das Problem mit den nadelartigen Kurzschlüssen
In herkömmlichen Batterien dienen flüssige Elektrolyte als Transportmedium für Ionen. Diese sind jedoch leicht entflammbar. Festkörperbatterien ersetzen diese Flüssigkeit durch ein festes Material.
Ein großes Hindernis bei der Nutzung von Lithium-Metall-Anoden ist die Bildung von sogenannten Dendriten. Dabei handelt es sich um winzige, nadelartige Metallstrukturen. Diese wachsen während des Ladevorgangs von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode. Erreichen sie die Gegenseite, verursachen sie interne Kurzschlüsse und zerstören die Zelle.
Zusätzlich kämpft die Forschung mit der chemischen Instabilität an der Kontaktstelle zwischen der Lithium-Anode und dem Elektrolyten. Diese Reaktionen mindern die Leistung und verkürzen die Lebensdauer der Batterie massiv. Das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am PSI, suchte nach einem Weg, beide Schwachstellen zu beheben.
Kompakte Strukturen durch sanftes Sintern
Im Fokus der Untersuchung stand der Festelektrolyt Argyrodit (Li6PS5Cl). Dieses Material leitet Lithiumionen sehr effizient. Die Schwierigkeit liegt jedoch in der Verarbeitung. Damit keine Hohlräume entstehen, in denen Dendriten wachsen können, muss das Material extrem dicht sein. Bisherige Methoden nutzten entweder enormen Druck bei Raumtemperatur oder Temperaturen von über 400 °C. Beide Wege haben Nachteile: Bei Raumtemperatur bleibt das Material oft zu porös. Hohe Temperaturen hingegen können die chemische Struktur des Elektrolyten zersetzen.
Die Forschenden am PSI wählten einen Mittelweg, den sie als sanftes Sintern bezeichnen. Sie pressten das Material bei einem moderaten Druck und einer Temperatur von etwa 80 °C. Mario El Kazzi erklärt den Erfolg der Methode: „Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren“. Durch die Wärme und den Druck ordnen sich die Partikel neu an und gehen feste Verbindungen ein. So entsteht eine kompakte Mikrostruktur ohne Poren, die den Ionenfluss begünstigt und Dendriten den Platz zum Wachsen nimmt.
Eine Schutzschicht aus dem Vakuum
Die Verdichtung des Elektrolyten allein reichte für den stabilen Betrieb unter hoher Last jedoch nicht aus. Deshalb integrierten die Fachleute eine zusätzliche Barriere. Sie dampften eine 65 Nanometer dünne Schicht aus Lithiumfluorid (LiF) im Vakuum direkt auf die Oberfläche des Lithiums auf. Diese Passivierungsschicht dient als Trennung zwischen der Anode und dem Festelektrolyten.
Diese dünne Schicht übernimmt eine Schutzfunktion. Sie verhindert, dass der Elektrolyt bei Kontakt mit dem Lithium chemisch zerfällt. Dadurch entsteht weniger inaktives Lithium, das für die Kapazität der Batterie verloren wäre. Gleichzeitig fungiert der Film als mechanischer Schutzschild gegen eindringende Metalldendriten.
| Aspekt | Klassischer Ansatz | PSI-Ansatz |
| Verdichtung des Elektrolyten | Hoher Druck bei RT oder > 400 °C | Moderater Druck bei ~ 80 °C |
| Risiko für Materialschäden | Hoch (Porosität oder Zersetzung) | Niedrig |
| Grenzfläche Li/Elektrolyt | Chemisch instabil | Stabilisiert durch LiF |
| Dendritenwachstum | Häufig | Stark unterdrückt |
| Zusatzschicht | – | 65 nm LiF |
| Zyklenstabilität | Deutlich begrenzt | 1500 Zyklen bei 75 % Kapazität |
| Energieaufwand Fertigung | Hoch | Niedrig |
Langzeitstabilität im Labortest
Die Kombination aus optimiertem Sinterprozess und der LiF-Schutzschicht zeigte in Laborversuchen deutliche Auswirkungen auf die Haltbarkeit. Jinsong Zhang, Erstautor der Studie und Doktorand am PSI, untersuchte die Zellen in Langzeittests. «Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert», so Zhang.
Die Daten belegen die Beständigkeit: Selbst nach 1500 Lade- und Entladevorgängen verfügten die Testzellen noch über rund 75 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Das bedeutet, dass ein Großteil der Ionen auch nach intensiver Nutzung weiterhin für den Stromfluss zur Verfügung steht.
Laut Zhang gehören diese Messwerte zu den bisher besten Ergebnissen in diesem Forschungsfeld. Er ist zuversichtlich, dass Festkörperbatterien die herkömmlichen Flüssigelektrolyt-Systeme in Bezug auf Lebensdauer und Energiedichte bald übertreffen werden.
Wirtschaftlichkeit und industrielle Anwendung
Neben der technischen Verbesserung bietet das neue Verfahren auch ökonomische Vorteile. Da der Prozess bei lediglich 80 °C abläuft, verbraucht die Herstellung deutlich weniger Energie als klassische Hochtemperatur-Sinterverfahren. Dies reduziert die Produktionskosten und verbessert die ökologische Bilanz der Batterieherstellung.
Das PSI-Team sieht in dem kombinierten Ansatz eine praxisnahe Lösung für die Industrie. Die Methode lässt sich auf Argyrodit-basierte Batterien anwenden und könnte den Weg zur Massenfertigung ebnen. Mario El Kazzi fasst den aktuellen Stand zusammen: „Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis. Noch ein paar zusätzliche Anpassungen – und wir könnten loslegen.“
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