Mehr Energiedichte und Sicherheit

Mit einem sehr dünnen Festelektrolyten hat ein internationales Forscherteam an der Universität Bayreuth eine Lösung für einen optimierten Kontakt zur Kathode gefunden. Im Unterschied zu bisherigen Festkörperbatterien umschließe der Elektrolyt nun die Kathode wie eine Hülle, heißt es in einer Mitteilung der Hochschule. Auf diese Weise entstehe eine deutlich verbesserte Grenzfläche. Damit steigere der neue Festelektrolyt, bei dem es sich um eine Kombination aus einem Polymer und keramischen Nanofasern handele, sowohl die Energiedichte als auch die Energiespeicherleistung der Batterien.
Zusätzlich zu den verbesserten Speichereigenschaften erhöhe das neue Material auch die Betriebssicherheit der Batterien „enorm“, heißt es weiter.

„Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, bereiten immer wieder Sicherheitsprobleme: Es besteht immer die Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft, was zum Kurzschluss und Ausfall der Batterie führt“, erläutert Seema Agarwal. Bei Elektrogeräten, aber auch bei E-Autos, seien deswegen schon Brände aufgetreten, so die Professorin für Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth.

Feststoffbatterien zum Ende des Jahrzehnts in Serie

Ein zusätzliches Problem seien die zunehmenden Lithium-Ablagerungen an der Anode, die ebenfalls zu einem Kurzschluss und Brand führen könnten. „Alle diese Risiken werden durch unseren ultradünnen Festelektrolyten, der eine hohe thermische Stabilität besitzt, beseitigt oder zumindest signifikant verringert“, so Agarwal.

Der neue Elektrolyt habe sich in seinen Wechselwirkungen mit der Kathode „hervorragend bewährt“, sagt Sivaraj Pazhaniswamy. Daher wolle das Team jetzt darauf hinarbeiten, auch die Kontakte zwischen Elektrolyt und Anode zu optimieren, so der Mitarbeiter des Bayreuther Zentrums für Batterietechnik (BayBatt). Der Makromolekülchemiker ist gleichzeitig Erstautor der Studie zum neuen Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff.

Bei der Entwicklung und Erprobung des neuen Festelektrolyten hat das Team der Universität Bayreuth mit Partnern an der University of Chemistry and Technology in Prag und der Jiangxi Normal University in Nanchang/China zusammengearbeitet.

Festkörperbatterien für E-Autos sollen größere Reichweiten, kürzere Ladezeiten und eine höhere Betriebssicherheit ermöglichen. Mittlerweile gibt es verschiedene Festkörper-Konzepte, die allerdings noch nicht in der Serienfertigung angekommen sind. Verschiedene Fahrzeughersteller, etwa Mercedes, VW und BMW, haben angekündigt, in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts Festkörperbatterien in Serie einzusetzen.