Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI ist ein Durchbruch auf dem Weg zur praktischen Anwendung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien gelungen – der nächsten Generation von Akkus, die mehr Energie speichern, sicherer sind und schneller laden als herkömmliche Lithiumionen-Batterien.

Festkörperbatterien gelten als vielversprechende Lösung für Elektromobilität, mobile Elektronik und stationäre Energiespeicherung – unter anderem, weil sie keine brennbaren f lüssigen Elektrolyte benötigen und daher grundsätzlich sicherer sind als herkömml iche L it h iu m ionen-Bat ter ien. Allerdings stehen zwei zentrale Probleme der Marktreife im Weg: Einerseits bleibt die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode ein kritischer Punkt – winzige nadelartige Metallstrukturen, die den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden durchdringen, sich in Richtung Kathode ausbreiten und letztlich interne Kurzschlüsse verursachen. Andererseits besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzf läche zwischen der Lithium- Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt. Um diese beiden Hindernisse zu überwinden, entwickelte das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am Paul Scherrer Institut PSI, ein neues Fertigungsverfahren: «Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzf läche zum Lithium stabilisieren», so der Wissenschaftler. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team im Wissenschaftsjournal «Advanced Science». Um einen robusten Elektrolyten sowie eine stabile Grenzf läche zu erhalten, mussten die PSI-Forschenden einen neuen Ansatz verfolgen.

Der Temperatur-Trick
Anstelle des klassischen Sinterverfahrens wählten sie einen schonenderen Ansatz, bei dem das Mineral unter mässigem Druck und bei moderater Temperatur von nur etwa 80 Grad Celsius gepresst wurde. Dieses sanfte Sintern führte zum Erfolg: Die moderate Wärme und der ausgeübte Druck sorgten dafür, dass sich die Partikel wie gewünscht anordneten, ohne die chemische Stabilität des Materials zu verändern.

Die sanfte Sinterung allein reichte aber nicht aus. Um auch bei hohen Stromdichten, wie sie beim schnellen Laden und Entladen auftreten, zuverlässig zu funktionieren, benötigte die Festkörperzelle eine weitere Modifikation. Dazu wurde eine 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid unter Vakuum verdampft und gleichmässig als ultradünner Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen – sie dient als Passivierungsschicht an der Grenzf läche zwischen Anode und Festelektrolyt. Diese Zwischenschicht erfüllt eine doppelte Funktion: Einerseits verhindert sie die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt so die Bildung von «totem», inaktivem Lithium. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.

Bestwerte nach 1500 Durchgängen
In Laborversuchen mit Knopfzellen zeigte die Batterie unter anspruchsvollen Bedingungen eine aussergewöhnliche Leistung. «Ihre Zyklussstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert», sag t Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Nach 1500 Auf- und Entladevorgängen hatte die Zelle noch etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden.» Zhang sieht deshalb gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten. Diese kombinierte Lösung markiert einen wichtigen Fortschritt für die Festkörperbatterieforschung – auch, weil sie ökologische und wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt: Aufgrund der niedrigen Temperaturen spart der Prozess Energie und damit Kosten. «Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis», so El Kazzi. «Noch ein paar zusätzliche Anpassungen – und wir könnten loslegen!» (mgt/nfz)