Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben eine schnellladefähige Festkörperbatterie entwickelt. Wie das Zentrum mitteilte, erlaubt die Neuentwicklung zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen als bisherige Festkörperbatterien. Die Verbesserung erzielten die Forscher durch die Materialwahl, bei der eine durchgängig gute Passfähigkeit im Vordergrund stand. Alle Komponenten – Anode, Kathode und Elektrolyt – wurden aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) ermöglichen.
Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum Laden benötigen. Etwa zehn bis zwölf Stunden dauert es üblicherweise, bis eine Festkörperbatterie wieder voll ist. Der neue Zelltyp, den Jülicher Wissenschaftler entworfen haben, braucht dagegen weniger als eine Stunde, bis er wieder aufgeladen ist.
Neuartiges Konzept bereits patentiert
„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“, sagte Hermann Tempel, Arbeitsgruppenleiter am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).
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.
Möglichst großer Stromfluss zwischen Schichten durch ähnliche Materialien
„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.
Als stabiles Trägermaterial dient der feste Elektrolyt, auf den die Phosphat-Elektroden beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden. Die verwendeten Materialien sind recht preisgünstig zu haben und relativ leicht zu verarbeiten. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien kommt die neue Festkörperbatterie zudem weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus.
Nach 500 Lade- und Entladezyklen noch über 84 Prozent der Kapazität
„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. „Hier besteht allerdings noch Verbesserungspotenzial. Theoretisch sollte sogar ein Verlust von unter einem Prozent machbar sein“, so Shicheng Yu, der die Batterie im Rahmen eines Förderprogramms des China Scholarship Council (CSC) am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9) entwickelt und getestet hat.
Die Energiedichte der neuartigen Festkörperbatterie liegt mit aktuell rund 120 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) nach Angaben des Jülicher Forschungszentrums schon sehr hoch, aber noch etwas unter der Energiedichte von heutigen Lithium-Ionen-Batterien.
Sicherer Betrieb und Langlebigkeit eröffnen viele Anwendungsfelder
Neben der Entwicklung für die Elektromobilität sehen die Forscher künftige Anwendungsschwerpunkte für Festkörperbatterien 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“, sagte Institutsleiter Rüdiger-A. Eichel.
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