Elektromobilität

Forscher steigern Laderate von Festkörperbatterien

| Redakteur: Sven Prawitz

Der feste Elektrolyt dient als stabiles Trägermaterial für die Elektroden, die derzeit beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden.
Der feste Elektrolyt dient als stabiles Trägermaterial für die Elektroden, die derzeit beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden. (Bild: Regine Panknin/FZ Jülich)

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Wissenschaftlern des Forschungszentrum Jülich ist es gelungen, Festkörperbatterien mit hohen Laderaten zu entwickeln. Das neue Konzept hat eine deutlich höhere Kontaktfläche und soll eine Energiedichte von 120 mAh pro Gramm ermöglichen.

Jülicher Wissenschaftler haben ein neues Konzept für Festkörperbatterien vorgestellt. Dieses soll zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlauben als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl, heißt es in einer Pressemitteilung des Forschungszentrum Jülich. Im Vordergrund stand demnach eine durchgängig gute Passfähigkeit: Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

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Statt einer bisher üblichen Ladezeit von etwa zehn bis zwölf Stunden einer Festkörperbatterie soll der neue Zelltyp in weniger als einer Stunde vollständig geladen sein. Der begrenzte Stromfluss lässt sich auf die internen Festkörper-Grenzflächen zurückführen. „Hier setzt unser Konzept an, das auf einer günstigen Kombination der Materialien beruht und das wir auch schon patentiert haben“, erklärt Hermann Tempel, Arbeitsgruppenleiter am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).

Testaufbau für die Festkörperbatterie: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, welches die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt.
Testaufbau für die Festkörperbatterie: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, welches die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt. (Bild: Regine Panknin/FZ Jülich)

Phosphatverbindungen erhöhen Kontaktfläche

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. Anode, Kathode und Elektrolyt wurden alle aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) zu ermöglichen. Das ist zehnmal höher als die Werte, die man sonst in der Fachliteratur findet“, erklärt Hermann Tempel. Die Energiedichte soll bei rund 120 mAh/g liegen.

Originalpublikation: Shicheng Yu, Andreas Mertens, Hermann Tempel, Roland Schierholz, Hans Kungl, and Rüdiger-A. Eichel. Monolithic All-Phosphate Solid-State Lithium-Ion Battery with Improved Interfacial CompatibilityACS Appl. Mater. Interfaces (online veröffentlicht: 12. Juni 2018).

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