Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien erzielt. Diese Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, da sie höhere Energiedichten, mehr Sicherheit und kürzere Ladezeiten bieten. Trotzdem stehen sie aktuell noch vor Herausforderungen auf dem Weg zur Marktreife, insbesondere durch die Bildung von Lithiumdendriten und elektrochemischer Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Anode und dem Festelektrolyten. Diese Probleme gilt es zu überwinden, um die Potenziale dieser Technologie auszuschöpfen, wie Oekonews berichtet.
Das Team um Mario El Kazzi am PSI hat ein neues Fertigungsverfahren entwickelt, das diese Herausforderungen adressiert. Die Ergebnisse ihrer Studie, die im Fachjournal Advanced Science veröffentlicht wurden, konzentrieren sich auf den sulfidbasierten Festelektrolyten Li₆PS₅Cl (LPSCl), der Teil der Argyrodit-Familie ist und eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit bietet. Bisherige Verdichtungsstrategien führten häufig zu Nachteilen wie porösen Mikrostrukturen oder chemischer Zersetzung, was die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Batterien beeinträchtigte.
Innovativer Ansatz zur Verbesserung der Festkörperbatterien
Der neue Ansatz der PSI-Forschenden beinhaltet ein sanftes Sintern bei niedrigen Prozesstemperaturen von etwa 80 Grad Celsius. Diese Methode ermöglicht es, die Partikel dicht und homogen anzuordnen, wodurch Poren und Hohlräume geschlossen werden. Dies verhindert das Eindringen von Lithiumdendriten und optimiert den Ionentransport. Zudem wird eine ultradünne Schutzschicht aus Lithiumfluorid (LiF) auf der Lithium-Metall-Anode aufgebracht, die nur 65 Nanometer dick ist. Diese Schicht stellt eine physikalische Barriere dar, die die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten unterbindet und das Wachstum von Lithiumdendriten eindämmt. Laut PV Magazine zeigen die Laborversuche mit Knopfzellen eine hohe Zyklusstabilität: Nach 1500 Lade- und Entladezyklen retainierten die Batterien noch 75% ihrer ursprünglichen Kapazität.
Der neue Herstellungsprozess weist nicht nur technische Vorteile auf, sondern auch ökologische und ökonomische. Die niedrigen Prozesstemperaturen senken den Energieverbrauch und die damit verbundenen Kosten, während die verbesserten Eigenschaften der Batterien Hoffnung auf eine breitere Implementierung in der Industrie bieten. PSI-Forschende haben uns gegenüber geäußert, dass sie optimistisch sind, dass ihre Entwicklungen die Festkörperbatterien in Bezug auf Energiedichte und Lebensdauer über Lithium-Ionen-Batterien heben könnten. Diese Fortschritte verdeutlichen den Transformationstrend hin zu nachhaltigeren und effizienteren Energiespeicherlösungen, wie PSI betont.
Insgesamt zeigt die Forschungsarbeit des PSI das Potenzial, das mit der Optimierung von Festkörperbatterien verbunden ist. Diese neuen Techniken könnten letztlich nicht nur die Sicherheit und Effizienz von Batterien signifikant verbessern, sondern auch zur Verbreitung und Akzeptanz dieser Technologie in verschiedenen Anwendungsbereichen führen.