Auf dem Weg zu Festkörperakkus für E-Fahrzeuge und Smart Grids

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Festkörper-Lithium-Ionen-Akkus bieten zwar viele Vorteile, eignen sich derzeit jedoch nicht für größere Speichersysteme, etwa in Elektroautos oder in Smart Grids. Nanocomposit-Elektrolyte sollen das ändern.

Derzeit auf dem Markt verfügbare Akkus mit Festkörperelektrolyt sind Dünnfilmausführungen. Wegen ihrer begrenzten Kapazität eignen sie sich nur als Mikrospeicher zur Versorgung von Sensoren. Doch Innovationen in Materialien und Architektur deuten darauf hin, dass sie sich bald zu größeren Speichersystemen erweitern lassen, etwa für Elektrofahrzeuge oder in Smart Grids. Nanocomposit-Elektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit sind eine wichtige Station auf diesem Weg.

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Kleine Revolution 1991: der „nasse“ Lithium-Ionen-Akku

Die Einführung der aufladbaren Lithium-Ionen-Batterien brachte 1991 eine allgemeine Revolution in der Batterietechnologie. Dank ihrer hohen Energiedichte konnte man mehr Energie in einem kleineren Volumen speichern. Damit ließ sich die für Geräte wie Laptops benötigte Energie in tragbaren Formaten unterbringen. Das Aufkommen dieser Akkus ermöglichte also die schnelle Entwicklung der smarten und mobilen Elektronik.

Ohne den Lithium-Ionen-Akku hätte man die smarten Geräte mit derart kleinem und elegantem Formfaktor nie entwickeln können. Heute sieht man sie auch als Lösung für Systeme, die mehr Energie benötigen wie Elektrofahrzeuge oder lokale Speicher in smarten Stromversorgungsnetzen. In diesen Applikationen sind andere Parameter von Bedeutung, z.B. die Speicherkapazität und die Lebensdauer. In Elektrofahrzeugen ist die verfügbare Leistung ebenso wichtig: Das Fahrzeug muss schnell beschleunigen können, und es soll sich in möglichst kurzer Zeit aufladen lassen. Die heutigen elektrischen Fahrzeuge fahren fast alle mit Lithium-Ionen-Akkus.

Elektronen- und Ionenfluss beim Laden und Entladen

Bei der Stromentnahme bewegen sich sowohl Elektronen als auch Lithiumionen von der negativen zur positiven Elektrode. Während des Ladevorgangs fließen sie in der umgekehrten Richtung. Die Menge des Elektrodenmaterials bestimmt dabei hauptsächlich die Speicherkapazität. Der Elektrolyt bewirkt die Ionenleitung zwischen den Elektroden und definiert die vom Akku bereitgestellte Leistung. Die flüssigen Elektroden, die heute eingesetzt werden, zeigen allerdings eine Reihe von Begrenzungen. So erfordert ihr Einsatz die Verwendung von speziellen Gehäusen und eine Membran zwischen der porösen Anode und Kathode. Dies bedingt Restriktionen in den Dimensionen und in der Auslegung dieses „nassen“ Akkus. Die flüssigen Elektroden sind außerdem meist flammbar und korrosiv. Auch das schafft Sicherheits- und Gesundheitsrisiken.

Akkus der Zukunft: Festkörper-Lithium-Ionen-Akkus

Für die Akkus der Zukunft werden mehrere Optionen untersucht. Sie sollen die heutigen Begrenzungen ohne Kompromisse in der Performance überwinden – oder sogar besser sein. Bei Imec fiel die Wahl auf das Konzept des (anorganischen) Festkörperakkus.

Mit einem festen Elektrolyten kann man die Elektroden in geringerem Abstand platzieren. Das macht den Akku kompakter und führt zu höherer Energiedichte. Allerdings haben die meisten Festkörperelektrolyte derzeit eine viel zu geringe Ionenleitfähigkeit. Deshalb können die Lithiumionen in den gegenwärtig existierenden planaren Dünnfilmbatterien nur eine kurze Distanz überbrücken. Diese Akkus taugen wegen ihrer begrenzten Kapazität nur als Mikrospeicher. Trotzdem ist eine Reihe dieser Akkus bereits auf dem Markt.

Neue Architektur: 3D-Dünnfilmakku für Mikrospeicher

Das Festkörperdesign führt zu vollständig neuen Architekturen, etwa zum kompakten 3D-Dünnfilmakku. In diesem Akkutyp ist der Dünnfilm-Stack als Beschichtung auf einem mikrostrukturierten Substrat aufgebracht, statt auf einem planaren Substrat. Diese Methode ermöglicht die Verwendung sehr dünner Filme für die Elektrode und den Elektrolyten. Dabei erzielt sie Energiedichten, die mit der gegenwärtigen Technologie vergleichbar sind. Allerdings ist die praktisch erreichbare Kapazität immer noch durch die notwendigen kleinen Dimensionen dieser Akkus begrenzt.

Aus diesem Grund ist es wichtig, dass sie schnell wieder aufgeladen werden können, oder im Hintergrund nachgeladen werden, um sie nicht vollständig zu entladen und zu verhindern, dass die mit ihnen versorgten Mikrosysteme nie ohne Spannung sind. Dies lässt sich erreichen, indem man dünne Filme mit höchstens einigen Hundert Nanometern verwendet. Als Ergebnis bewegen sich die Ionen nur über eine kurze Distanz, und der Akku kann in wenigen Minuten aufgeladen werden. Derartige kleine Formfaktoren sind für Mikrosysteme wie Implantate, Sensoren und Smart Cards vorgesehen.

Imec hat bereits ein Konzept vorgelegt, in dem die Elektroden (LMO = Lithium-Mangan-Oxid und LTO = Lithium-Titanat-Oxid) als Beschichtung auf einem 3D-Micropillar-Array ausgeführt sind. Sie werden lithographisch hergestellt. Imec arbeitet außerdem an einer Alternative zur Lithographie, um die Micropillar-Strukturen billiger zu produzieren. Dazu wird eine Prozesstechnik auf der Basis von Folien genutzt, die der Batterie außerdem die nötige Flexibilität verleihen. In einer späteren Phase soll die Dünnfilmtechnologie weiter aufskaliert werden, um größere Energie- und Leistungsdichten zu erreichen und sie für Applikationen in flexiblen, portablen elektronischen Geräten geeignet zu machen.

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