Emobility Die erste Festkörperbatterie mit langem Lebenszyklus

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Chinesische Wissenschaftler haben eine Festkörper-Batterie entwickelt, die nach 1.400 Ladezyklen noch über 70 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behält und wollen mit diesem Durchbruch zum Beispiel elektrische Linienflugzeuge der kommerziellen Realität näherbringen.

Wie einem Aufsatz der Forscher im US-amerikanischen Wissenschaftsmagazin ACS Applied Materials & Interfaces zu entnehmen ist, handelt es sich um eine Lithium-Schwefel-Festkörperbatterie. Dieser Batterietyp gilt als eine besonders vielversprechende Zukunftstechnologie, die künftig die derzeit weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien ersetzen könnte.

Wegen ihrer hohen Energiedichte, der besonders in der Festkörper-Variante höheren Brandsicherheit und der relativ geringen Kosten von Schwefel wird momentan weltweit an verschiedenen Varianten von Lithium-Schwefel-Batterien geforscht, unter anderem auch am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden.

Bisher waren 1.000 Ladezyklen utopisch

Bisher aber litten sämtliche Prototypen unter einer viel zu geringen Lebensdauer. Die Wiederholung von mehr als 1.000 Ladezyklen sei „bislang sowohl für die flüssige wie auch für die Festkörper-Variante weitgehend undenkbar gewesen“, kommentiert das japanische Wirtschaftsmagazin Nikkei Asia die neuen Forschungsergebnisse aus China.

Genau diesen Engpass aber hat das Team um Professor Wu Jianfei vom „Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology“ (QIBEBT) nun aus der Welt geschafft. QIBEBT gehört zur Chinesischen Akademie der Wissenschaften, auf deren offiziellen Webseite von einem „Durchbruch beim Defekt-Engineering und einer Leistungs-Steigerung von ASSLSBs“ die Rede ist. Die Abkürzung steht für „All-Solid-State-Lithium-Sulfur Batteries“ oder Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien.

Neue Möglichkeiten für mikro-strukturelles Engineering

„Kommerzielle Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) werden aktiviert, um poröse CNTs (P-CNTs) zu formen, die als schwefelhaltige Matrix genutzt werden,“ schreiben die chinesischen Wissenschaftler in ihrem Aufsatz in ACS Applied Materials & Interfaces. So konnten sie die Beweglichkeit der Elektronen und Ionen durch den Schwefel deutlich steigern, der in solchen Festkörperbatterien für die hohe Energiedichte sorgt, aber eine relativ schlechte Leitfähigkeit aufweist.

Ihre Forschungsergebnisse lieferten so eine „neue Strategie für das mikro-strukturelle Engineering von Kohlenstoff-Materialien“, schreiben Professor Wu und seine Ko-Autoren in dem Aufsatz. Damit werde eine Modifizierung von Grenzflächen-Eigenschaften möglich, mit der Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Leistungsfähigkeit entwickelt werden können.

Elektrifizierung

Chinesische Forscher berichten von Durchbruch bei Festkörperbatterien

Schleppende Einwanderung von Ionen verhindern

Nach 1.400 Ladezyklen hätten ihre Batterie-Prototypen noch 70,4 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten, berichten die Forscher - und dies sogar bei Temperaturen von - 40 °C. Bei günstigeren Außentemperaturen zwischen 0,5 und 25 °C seien in den Experimenten sogar nach 3.000 Ladezyklen 82,7 Prozent der Anfangskapazität erhalten geblieben.

Die wissenschaftliche Erklärung für den Durchbruch sei die Tatsache, dass P-CNTs eine größere spezifische Oberfläche und auch mehr sauerstoffhaltige Gruppen besitzen als CNTs, was bei ihrem Einsatz in Kathoden zu einem besseren Flächenkontakt zwischen den Festkörper-Elektrolyten und dem Schwefel sowie gleichzeitig zu erhöhter Stabilität führe, schreiben die Wissenschaftler in ihrem Aufsatz in dem US-Wissenschaftsmagazin sinngemäß.

Anders formuliert kann mit der neuen Methode das Problem der schleppenden Einwanderung von Lithium-Ionen in die Verbundkathode gelöst werden, das bislang viele Prototypen von Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien plagt.

Elektromobilität

Chinas Batterietechnologien im Überblick

Mehr Reichweite bei weniger Gewicht

Festkörper-Batterien auf Sulfidbasis, die bislang noch begrenzt leistungsfähig und in der Herstellung zu teuer sind, gelten als eine der vielversprechendsten Nachfolge-Technologien für heute verbreitete Batterietypen.

In E-Autos könnten damit beispielsweise bei reduziertem Batteriegewicht deutlich höhere Reichweiten möglich werden. Auch die Elektrifizierung der zivilen Luftfahrt wartet momentan auf neue Durchbrüche bei Festkörperbatterien, weil derzeitige Lithium-Ionen-Batterien noch nicht leistungsfähig genug sind.

Elektromobilität

Neue Superbatterie soll elektrisches Fliegen ermöglichen

* Henrik Bork, langjähriger China-Korrespondent der Süddeutschen Zeitung und der Frankfurter Rundschau, ist Managing Director bei Asia Waypoint, einer auf China spezialisierten Beratungsagentur mit Sitz in Peking. „China Market Insider“ ist ein Gemeinschaftsprojekt der Vogel Communications Group, Würzburg, und der Jigong Vogel Media Advertising in Beijing.

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