Lithium-Ionen-Batterien Feststoff-Elektrolyte machen Batterien leistungsstärker

Feststoff-Elektrolyte sollen umweltfreundlicher sein als herkömmliche Flüssig-Elektrolyte und könnten Lithium-Ionen Batterien leistungsfähiger und betriebssicherer machen. Wie sie zusammengesetzt sein müssen, hat ein Forscher untersucht.

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Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Für viele Zukunftstechnologien sind leistungsfähige, langlebige Energiespeicher von zentraler Bedeutung: Etwa für die Elektromobilität, für mobile Endgeräte wie Tablets oder Smartphones oder zur effizienten Nutzung regenerativer Energien. Dr. Daniel Mutter vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM konnte klären, wie Feststoff-Elektrolyte aus Keramik chemisch zusammengesetzt sein müssen, um gute Leistung in Lithium-Ionen-Batterien zu erbringen. Dies hat er im Journal of Applied Physics veröffentlicht. Solche Feststoff-Elektrolyte sollen umweltfreundlicher als herkömmliche Flüssig-Elektrolyte sein und könnten Lithium-Ionen-Batterien deutlich leistungsfähiger und betriebssicherer machen.

Sie bergen eine geringere Explosionsgefahr und bei einer Beschädigung, beispielsweise durch einen Crash, soll keine Säure austreten, die bei Menschen Verätzungen und Vergiftungen hervorrufen kann.

Batterie-Elektrolyte müssen hohe Anforderungen erfüllen

Die Anforderungen an die Materialeigenschaften von Batterie-Elektrolyten sind beachtlich: Die ionische Leitfähigkeit soll hoch und die verwendeten chemischen Elemente sowohl ungiftig als auch reichhaltig in der Erdkruste vorhanden sein.

Mithilfe atomistischer Simulationen identifizierte Dr. Mutter nun mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken, die für diese Anforderungen besonders vielversprechend sind.

Vorhersagen praktisch testen

„Diese besonders vorteilhaften Keramik-Festkörper-Elektrolyte können wir unter Umständen mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren – das ist bei den heute gebräuchlichen flüssigen Elektrolyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metallischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, erklärt Dr. Mutter.

Im nächsten Schritt will der Forscher mit Partnern praktisch testen, ob die vorhergesagten Materialien die Leitfähigkeit wie erwartet deutlich steigern. Das hieße konkret: Kürzere Ladedauer bei längerer Betriebszeit, was insbesondere für die Elektromobilität von Vorteil wäre.

Zudem bedeutet diese Kombination weniger Gewicht, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter sind als die bisher verwendeten Graphit-Anoden.

Die chemischen Elemente, an denen Dr. Mutter forscht, sollen zahlreich in der Erdkruste in Europa vorhanden sein und verhältnismäßig leicht abbaubar.

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NZP-Keramiken haben hohe ionische Leitfähigkeit

Im Allgemeinen fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Eine hohe ionische Leitfähigkeit verspricht jedoch die Klasse der sogenannten NZP-Keramiken: Ihr struktureller Aufbau ermöglicht die Existenz von „Wanderpfaden“, auf denen sich Lithium-Ionen leicht fortbewegen können. Das macht sie zum interessanten Kandidat für hochleistungsfähige Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien.

Unklar war bisher allerdings, warum bestimmte Verbindungen leistungsfähiger sind als andere und welche tatsächlich besonders gute Leistung erbringen.

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<h3 class="inf-teaserbox__title">Was sind NZP-Keramiken?</h3>

<p class="inf-teaserbox__text">Die Klasse der NZP-Keramiken ist seit den 1960er Jahren bekannt und wird auch mit dem Begriff Nasicon bezeichnet. Ihren Namen erhielt sie von der chemischen Struktur NaZr2(PO4)3, für die besonders positive Eigenschaften für die Herstellung von Festkörper-Elektrolyten entdeckt wurden.<br>Die Stabilität von NZP-Keramiken wird durch eine charakteristische „Laternen“-Struktur der von den Sauerstoffatomen gebildeten Polyeder um die anderen Elemente ermöglicht. Daraus ergibt sich ein dreidimensionales Netzwerk von Wanderungspfaden für Lithium-Ionen, was zu einer hohen Ionenleitfähigkeit der Keramik führt. Die chemischen Elemente Natrium, Zirkonium und Phosphor können variiert werden. So kann – wie in der Grafik oben zu sehen – Natrium durch Lithium und Zirkonium durch Titan ersetzt werden. Die Variierbarkeit der Elemente ermöglicht, die Materialeigenschaften für eine Vielzahl elementarer Kombinationen computergestützt zu analysieren.</p>

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Besseres Verständnis von NZP-Keramiken

Über die Vorhersage vielversprechender Materialzusammensetzungen hinaus, will der Physiker mit seiner Forschung zum besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken beitragen.

Er fand heraus, dass die für die Lithium-Ionen-Wanderung nötige Migrationsenergie auf eine andere Weise von der Sauerstoffumgebung um den Ionenwanderungspfad abhängt als bisher vermutet. Identifizierte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen deutlich fundiertere Vorhersagen über die Auswirkungen der elementaren Besetzungen auf das Strukturgerüst und die Ionenleitfähigkeit der NZP-Keramiken.

Dr. Mutters Analysen sind Teil eines DFG-geförderten Forschungsprojekts zum Thema „Herstellung und Charakterisierung keramischer Festkörper-Elektrolyte mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit“, das er in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der TU München durchgeführt hat.

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