Festkörperbatterie Forschenden gelingt Durchbruch bei langlebigen Festkörperbatterien

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Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI haben ein neues Fertigungsverfahren von Lithium-Metall-Festkörperbatterien entwickelt, die mehr Energie speichern, sicherer sind und schneller laden als herkömmliche Lithiumionen-Batterien.

Festkörperbatterien benötigen keine brennbaren flüssigen Elektrolyte und sind daher grundsätzlich sicherer als herkömmliche Lithiumionen-Batterien. Sie gelten als vielversprechende Lösung für Elektromobilität, mobile Elektronik und stationäre Energiespeicherung.
Allerdings stehen zwei zentrale Probleme der Marktreife im Weg: Einerseits bleibt die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode ein kritischer Punkt. Hierbei durchdringen winzige nadelartige Metallstrukturen den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden. Von hier aus breiten sie sich in Richtung Kathode aus und verursachen letztlich interne Kurzschlüsse.
Andererseits besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt.
 

Um diese beiden Hindernisse zu überwinden, hat das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am Paul Scherrer Institut PSI, ein neues Fertigungsverfahren entwickelt: „Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren“, so der Wissenschaftler. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team im Wissenschaftsjournal Advanced Science.
Im Mittelpunkt der PSI-Studie steht der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl (LPSCl), ein sulfidbasierter Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel. Das Mineral weist eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit auf, was einen schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie ermöglicht – eine wesentliche Voraussetzung für hohe Leistung und effiziente Ladeprozesse. Das macht Argyrodit-basierte Elektrolyten zu vielversprechenden Kandidaten für Festkörperbatterien. Die Umsetzung scheiterte jedoch bisher daran, das Material ausreichend zu verdichten, sodass keine Hohlräume entstehen, in die Lithiumdendriten eindringen könnten.

Das Problem mit der Verdichtung

Um den Festelektrolyt zu verdichten, setzten Forschungsgruppen bislang auf zwei Ansätze: Entweder pressten sie das Material bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck oder sie wendeten Heißpressverfahren an, die Druck mit Temperaturen von über 400 Grad Celsius kombinieren. Beim letzteren Prozess, dem sogenannten klassischen Sintern, werden die Partikel durch die Anwendung von Wärme und Druck zu einer dichteren Struktur verschmolzen.
 

Beide Methoden führten jedoch zu unerwünschten Nebenwirkungen: Das Pressen bei Raumtemperatur ist unzureichend, weil es zu einer porösen Mikrostruktur und übermäßigem Kornwachstum führt. Die Verarbeitung bei sehr hohen Temperaturen wiederum birgt das Risiko, dass der Festelektrolyt zersetzt wird. Um einen robusten Elektrolyten sowie eine stabile Grenzfläche zu erhalten, mussten die PSI-Forschenden daher einen neuen Ansatz verfolgen.

Der Temperatur-Trick

Um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, bezogen El Kazzi und sein Team den Faktor Temperatur mit ein: Anstelle des klassischen Sinterverfahrens wählten sie einen schonenderen Ansatz, bei dem das Mineral unter mäßigem Druck und bei moderater Temperatur von nur etwa 80 Grad Celsius gepresst wurde.
Dieses sanfte Sintern führte zum Erfolg: Die moderate Wärme und der ausgeübte Druck sorgten dafür, dass sich die Partikel wie gewünscht anordneten, ohne die chemische Stabilität des Materials zu verändern. Die Partikel im Mineral gingen enge Bindungen miteinander ein, poröse Stellen wurden kompakter und kleine Hohlräume schlossen sich. Das Ergebnis ist eine kompakte, dichte Mikrostruktur, die gegen das Eindringen von Lithium-Dendriten gewappnet ist.
 

Die sanfte Sinterung allein reichte aber nicht aus. Um auch bei hohen Stromdichten, wie sie beim schnellen Laden und Entladen auftreten, zuverlässig zu funktionieren, benötigte die Festkörperzelle eine weitere Modifikation. Dazu wurde eine 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid (LiF) unter Vakuum verdampft und gleichmäßig als ultradünner Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen – sie dient als Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt.

Bestwerte nach 1500 Durchgängen

Diese Zwischenschicht erfüllt eine doppelte Funktion: Einerseits verhindert sie die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt so die Bildung von „totem“, inaktivem Lithium. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.
In Laborversuchen mit Knopfzellen zeigte die Batterie unter anspruchsvollen Bedingungen eine außergewöhnliche Leistung. „Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert“, sagt Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Nach 1500 Auf- und Entladevorgängen hatte die Zelle noch etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. Es wanderten also immer noch drei Viertel der Lithiumionen von der Kathode zur Anode. „Ein herausragendes Ergebnis. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden.“ Zhang sieht deshalb gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten.