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Festes Elektrolyt Material für leistungsstarke Festkörperbatterien gefunden

Redakteur: Katharina Juschkat

Um Festkörperbatterien leistungsfähig zu machen, braucht es ein geeignetes Leitmedium, das industriell günstig herstellbar ist. Forscher der Empa könnte das jetzt gelungen sein: Ultradünne Schichten einer speziellen Keramik erfüllen die Anforderungen.

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Doktorand Jordi Sastre forscht an einem neuen Dünnschicht-Material für leistungsfähige Festkörperbatterien.
Doktorand Jordi Sastre forscht an einem neuen Dünnschicht-Material für leistungsfähige Festkörperbatterien.
(Bild: Empa)

Festkörperbatterien haben gegenüber Lithium-Ionen-Batterien den entscheidenden Vorteil, keine leicht brennbare Flüssigkeit im Inneren zu haben, sondern aus komplett festem Material zu sein. Dadurch werden sie sicherer, leistungsfähiger und langlebiger. Aber ein solcher fester Elektrolyt als Leitmedium muss verschiedene Bedingungen erfüllen: Er muss eine sehr gute Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweisen und zugleich industriell möglichst günstig herstellbar sein.

Forscher der schweizerischen Forschungsinstitution Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa haben jetzt einen geeigneten Elektrolyten für Festkörperbatterien gefunden: Die Keramikverbindung LI7La3Zr2O12 (oder kurz LLZO) bringt hierfür die passenden Eigenschaften.

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Ultradünner LLZO-Film steigert die Leistung

Diese Keramik wird bislang zu Forschungszwecken in Form von sogenannten Pellets hergestellt, deren Größe auf einige Zentimeter im Durchmesser limitiert ist. In dieser Form müssen die Pellets zunächst aufwändig poliert werden, um in Batterien eingesetzt zu werden. Das ist zeitaufwändig und kostet viel Material – unbrauchbar für eine industrielle Fertigung.

Die Lösung: Eine dünne LLZO-Schicht, die zudem den Vorteil bietet, dass die Lithium-Ionen schneller durch die Elektrolytschicht fliessen können – und damit die Leistung der Batterie steigt.

Die Herstellung dieses ultradünnen Films gelang nun dem Doktoranden Jordi Sastre, der zuvor an den Pellets forschte, mit einer Methode namens Magnetron-Sputtering. Die Dicke dieses Films bewegt sich im Bereich von 500 nm. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haars ist rund 100-mal dicker.

100 Mal leistungsfähiger als bisherige Festkörperbatterien

Messungen an der ultradünnen Materialschicht ergaben eine deutlich höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu bisher bekannten Materialien. Im Vergleich zu Festkörper-Mikrobatterien auf Basis von Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) soll die Leitfähigkeit des neuen LLZO-Dünnfilms um mehr als das hundertfache höher sein. Eine erste Testbatterie zeigte im Labor deutlich höhere Leitfähigkeit als die bisher bekannten LiPON-Batterien.

Für kleine Geräte mit hohem Leistungsbedarf

Wichtig für die Forscher war auch die industrielle Herstellbarkeit des neuen Materials: Die Dünnfilme können bei Temperaturen von 600 bis 700 Grad Celsius hergestellt werden, im Vergleich zu bisher bekannten LLZO-Pellets, die mehr als 1100 Grad Celsius benötigen. Das macht den Prozess schneller, günstiger und zuverlässiger.

LLZO-Festkörperbatterien sind vor allem für kleinere Geräte mit hohem Leistungsbedarf interessant, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik oder IoT-Geräten. Die Dünnfilm-Bauweise bei Festkörperbatterien verspricht kürzere Ladezeiten und eine längere Lebensdauer als bei heutigen, flüssigkeitsgefüllten Lithium-Ionen-Akkus.

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