Feststoff-Lithium-Ionen-Akkus machen Hybrid- und E-Autos sicherer

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Spezialkeramik als Elektrolyt

Aufgabe des Elektrolyten ist es, Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zur Kathode zu leiten und die beiden Pole gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Anstelle einer Flüssigkeit kann auch ein Festkörper diese Funktion über-nehmen. Dafür geeignete Materialien weisen Leerstellen in ihrer atomaren Gitterstruktur auf. Lithium-Ionen können sie besetzen und sich so „hüpfend“ durch den Festkörper bewegen.

Dünne Elektrolytschicht gleicht Nachteile aus

„Der Mechanismus läuft allerdings etwas langsamer ab als die Diffusionsvorgänge innerhalb eines flüssigen Elektrolyten. Das erhöht den Widerstand für den Ionentransport, was die abrufbare Leistungsdichte der Batterie verringert“, erläutert Dr. Sven Uhlenbruck. „Diese schlechtere spezifische Leitfähigkeit lässt sich aber im Prinzip durch die Ausführung des Elektrolyten als dünne Schicht ausgleichen. Unser Ziel ist es, die Dicke des Feststoffelektrolyten auf wenige Mikrometer zu reduzieren, während die Elektroden in konventionellen Zellen mit Flüssig-Elektrolyt rund 30 µm auseinander liegen“, erklärt der Jülicher Physiker.

Grenzfläche im Fokus

Eine größere technische Schwierigkeit stellt dagegen die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten dar. Einen flüssigen Elektrolyten können feinstrukturierte Elektroden wie ein Schwamm aufnehmen. Doch zwei angrenzende Festkörper lassen sich nicht so einfach lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt fällt entsprechend höher aus. „Durch Abstimmung der Herstellungsverfahren ist es uns gelungen, den Gesamtinnenwiderstand der Zelle von 20 auf 2 kΩ/cm² zu reduzieren“, berichtet Sven Uhlenbruck. Die Forschung geht weiter. Ziel ist es, durch Verringerung der Elektrolytdicke die Werte heutiger Lithium-Ionenbatterien von 50 Ω/cm² zu erreichen, wobei die Energie-dichte aufgrund der Materialeinsparung dann deutlich höher ausfallen dürfte – schöne Aussichten also für alle mobile Geräten, deren Laufzeit sich dadurch beträchtlich verlängern ließe.

Die detaillierten Ergebnisse wurden in der März-Ausgabe des Fachmagazins „Nachrichten aus der Chemie“ und in der Fachzeitschrift „Journal of Power Sources“ veröffentlicht.

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