Schneller aufgeladen

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine clevere Materialwahl.

22. August 2018

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien, wie das Forschungszentrum Jülich weiter mitteilt. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum Laden benötigen.

Etwa 10 bis 12 Stunden dauert es üblicherweise, bis eine Festkörperbatterie wieder voll ist. Der neue Zelltyp, den die Wissenschaftler entworfen haben, braucht weniger als eine Stunde, bis er wieder aufgeladen ist, heißt es in der Mitteilung.

 »Mit den bisher beschriebenen Konzepten waren nur sehr geringe Lade-und Entladeströme möglich, die sich auf Probleme an den internen Festkörper-Grenzflächen zurückführen lassen. Hier setzt unser Konzept an, das auf einer günstigen Kombination der Materialien beruht und das wir auch schon patentiert haben«, erklärt Dr. Hermann Tempel, Arbeitsgruppenleiter am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).

Gute Kontakte durch ähnliche Materialien

Im Vordergrund der Entwicklung stand eine durchgängig gute Passfähigkeit. In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien kommt ein flüssiger Elektrolyt zum Einsatz, der die Elektroden in der Regel sehr gut kontaktiert. Mit ihrer strukturierten Oberfläche nehmen die Elektroden die Flüssigkeit auf wie ein Schwamm, sodass eine große Kontaktfläche entsteht.

Zwei Festkörper lassen sich prinzipiell nicht derart lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt fällt entsprechend höher aus.

 »Um dennoch einen möglichst großen Stromfluss über die Schichtgrenzen hinweg zu ermöglichen, haben wir alle Komponenten aus sehr ähnlichen Materialien aufgebaut«, erklärt Tempel. 

Anode, Kathode und Elektrolyt wurden alle aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) ermöglichen. »Das ist zehnmal höher als die Werte, die man sonst in der Fachliteratur findet.«

Ladekapazität der Festkörperbatterie

Als stabiles Trägermaterial dient der feste Elektrolyt, auf den die Phosphat-Elektroden beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden. Die verwendeten Materialien seien recht preisgünstig zu haben und relativ leicht zu verarbeiten, so das Forschungszentrum. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien komme die neue Festkörperbatterie zudem weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus.

»In ersten Tests erwies sich die neue Batteriezelle über 500 Lade- und Entladezyklen recht stabil und verfügte danach immer noch über 84 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität«, berichtet Dr. Shicheng Yu. Er hat die Batterie im Rahmen eines Förderprogramms des China Scholarship Council am IEK-9 entwickelt und getestet.

 »Hier besteht allerdings noch Verbesserungspotenzial. Theoretisch sollte sogar ein Verlust von unter einem Prozent machbar sein«, so Shicheng Yu.

 »Die Energiedichte ist mit aktuell rund 120 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) schon sehr hoch, auch wenn sie noch etwas unter der von heutigen Lithium-Ionen-Batterien liegt«, erklärt Institutsleiter Prof. Rüdiger-A. Eichel.

Nicht nur für Elektromobilität

Neben der Entwicklung für die Elektromobilität sieht er künftige Anwendungsschwerpunkte auch auf anderen Gebieten: »Festkörperbatterien werden aktuell mit Hochdruck als Energiespeicher für Elektromobile der übernächsten Generation entwickelt. Wir glauben aber, dass Festkörperbatterien sich darüber hinaus auch in weiteren Anwendungsfeldern durchsetzen werden, bei denen es auf langlebige Betriebsdauern und sicheren Betrieb ankommt, wie etwa in der Medizintechnik oder bei integrierten Bauteilen im ›Smart Home‹ Bereich«, so Eichel.

 »Da sie sich im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus bei Beschädigung auch nicht übermäßig erhitzen oder sogar explodieren, wären sie auch für Smartphones und andere mobile Computer eine sichere Alternative.«