Die Weiterentwicklung von Lithium-Batterien ist derzeit ein Schwerpunkt zahlreicher Forschungsvorhaben. Höhere Sicherheit und mehr Leistung melden nun zwei deutsche Forscherteams.
Feststoff-Lithium-Ionen-Akkus gelten als sichere Batterien der Zukunft. Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff ermöglicht hohe Energiedichten und entschärft Probleme wie Auslaufen, Überhitzen, Abbrand und Giftigkeit heutiger Lithium-Ionen-Akkus. Jülicher Wissenschaftler haben nun eine Zelle vorgestellt, die im Labormaßstab schon erstaunlich gut funktioniert. Ein neues Kathodenmaterial, basierend auf einem neuen Speicherprinzip mit höherer Energiespeicherdichte als bisher bekannte Systeme, hat ein interdisziplinäres Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) entwickelt.
Die fertige Zelle des Jülicher Forscherteam wurde im Labor bereits über 350 Mal entladen und wieder aufgeladen. Sie ist der Vorläufer einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Akkus, in denen anstelle der brennbaren und oft giftigen Flüssigkeiten ein fester Elektrolyt zum Einsatz kommt. Diese Bauweise bringt viele Vorteile mit sich: "Die Zellen können bei Unfällen und Fehlern nicht in Brand geraten und nicht auslaufen. Sie könnten eine deutlich längere Lebensdauer haben und sind auf jeden Fall weniger temperaturempfindlich", erläutert Profesor Olivier Guillon. Mit Feststoff-Lithium-Ionenbatterien lasse sich die Energiedichte steigern, denn die Zellen seien stapelbar, so Guillon weiter. Sie benötigen keine platzraubenden Kühl- und Schutzvorrichtungen.
Aufgabe des Elektrolyten ist es, Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zur Kathode zu leiten und die beiden Pole gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Anstelle einer Flüssigkeit kann auch ein Festkörper diese Funktion übernehmen. Dafür geeignete Materialien weisen Leerstellen in ihrer atomaren Gitterstruktur auf. Lithium-Ionen können sie besetzen und sich so "hüpfend" durch den Festkörper bewegen. "Der Mechanismus läuft allerdings etwas langsamer ab als die Diffusionsvorgänge innerhalb eines flüssigen Elektrolyten. Das erhöht den Widerstand für den Ionentransport, was die abrufbare Leistungsdichte der Batterie verringert", erläutert Sven Uhlenbruck, Leiter der Arbeitsgruppe dünne Schichten am FZ Jülich. Diese schlechtere spezifische Leitfähigkeit lasse sich aber im Prinzip durch die Ausführung des Elektrolyten als dünne Schicht ausgleichen. "Unser Ziel ist es, die Dicke des Feststoffelektrolyten auf wenige Mikrometer zu reduzieren, während die Elektroden in konventionellen Zellen mit Flüssig-Elektrolyt rund 30 Mikrometer auseinander liegen", erklärt der Jülicher Physiker.
Eine größere technische Schwierigkeit stellt dagegen die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten dar. Einen flüssigen Elektrolyten können feinstrukturierte Elektroden wie ein Schwamm aufnehmen. Doch zwei angrenzende Festkörper lassen sich nicht so einfach lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt fällt entsprechend höher aus. "Durch Abstimmung der Herstellungsverfahren ist es uns gelungen, den Gesamtinnenwiderstand der Zelle von 20 Kiloohm auf 2 Kiloohm pro Quadratzentimeter zu reduzieren", berichtet Uhlenbruck. Die Forschung geht weiter. Ziel ist es, durch Verringerung der Elektrolytdicke die Werte heutiger Lithium-Ionenbatterien von 50 Ohm pro Quadratzentimeter zu erreichen.
Das Forscherteam von KIT und HIU forciert die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien und hat ein neues Material für Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume (so genannte Zwischengitterplätze) – einer Wirtsstruktur, welche in der Regel aus Metalloxiden besteht. Diese Methode funktioniert gut, allerdings sind die damit erzielbaren Speicherdichten begrenzt, da das Lithium nicht besonders dicht in der Struktur gepackt werden kann. Auch ist die Einlagerung von mehr als einem Lithium-Ion pro Formeleinheit in der Regel nicht möglich, da die Struktur dann nicht mehr stabil ist und zerfällt.
Wünschenswert wäre es deshalb, Lithium deutlich dichter in eine stabile Struktur zu packen und die bisherigen Obergrenzen zu überwinden. Eine Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner und Ruiyong Chen hat nun am KIT ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt, welches die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li pro Formeleinheit erlaubt.
Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien wird in dem neuen System das Lithium nicht mehr auf Zwischengitterplätzen, sondern direkt auf den Gitterplätzen einer kubisch dichtesten Packungsstruktur gespeichert, wodurch die deutlich höheren Packungsdichten erreicht werden. Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen sehr mobil in dieser Struktur und sie können leicht in das Gitter ein- und wieder ausgebaut werden. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt überraschenderweise stabil bleibt – ein Novum bei solchen Speichermaterialien. "Die hohe Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität, verbunden mit einer sehr kleinen Volumenänderung von nur 3 Prozent ist das eigentlich Ungewöhnliche an diesem neuen System. Das Speicherprinzip scheint zudem auf andere Zusammensetzungen übertragbar zu sein. Mit anderen Verbindungen ähnlicher Struktur messen wir derzeit sogar noch höhere Energiedichten als mit dem auf Vanadium basierenden System", berichtet Fichtner. Quellen: FZ Jülich / KIT / pgl