Neuer Durchbruch bei Festkörperbatterie-Entwicklung

Autor: Ewald Schäfer

Veröffentlicht am: 13.12.2019

Das Forschungszentrum Jülich verkündet einen Durchbruch bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Dabei wurde mit einem neuartigen Herstellungsverfahren eine Natrium-Festkörperbatterie entwickelt, die eine deutlich höhere Zyklenfestigkeit erreicht, als herkömmliche Batterien dieses Typs. Hierbei gelang es sicherzustellen, dass die Batterie auch noch nach 100 Ladezyklen eine Restkapazität von 90% aufweist. Dies ist für Batterien mit einem keramischen Leitermaterial, die sich noch in der Laborentwicklung befinden, ein sehr guter Wert. Vergleichbare oder bessere Ergebnisse konnten bisher nur mit Batterien erzielt werden, die auf flüssige Elektrolyten oder zusätzlich weiche Schichten für den Ionentransport verwendeten.

Festkörperbatterien werden viele Vorteile gegenüber Batterien mit flüssigem Elektrolyten zugeschrieben, die in den heute üblichen elektrischen Anwendungen zu finden sind. So können diese Batterien nicht auslaufen und sind nicht entflammbar, weswegen sie naturgemäß als sicher und unempfindlich gelten. Dies zeigt sich auch in ihrer Bauart, die weit weniger zusätzliche Technik erfordert, um Zellen vor mechanischen Belastungen zu schützen und stabile Temperaturen sicherzustellen. Zudem kommen sie im Vergleich zu bisher üblichen Lithium-Ionen-Batterien weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus. Auch da sie theoretisch sehr hohe Energiedichten erreichen können, wird weltweit aktuell daran geforscht, sie ständig weiterzuentwickeln. Dennoch befinden sich Batterien mit einem leitenden Festkörper noch am Anfang ihrer Entwicklung und konnten bisher noch nicht marktreif ausgelegt werden. Ein wesentliches Hindernis besteht darin, dass es den Forschern weltweit bisher nur eingeschränkt gelungen ist, eine sichere und stabile Verbindung zwischen der Elektrode und dem Feststoff-Elektrolyt zu gewährleisten. Dadurch weisen diese Batterien bisher nur eine geringe Zyklenstabilität auf, da Partikel oder Schichten aufgrund der Volumenänderungen während des Ladens und Entladens begannen sich voneinander zu lösen.

Mit einer Technik aus der Brennstoffzellenforschung der 1990er Jahre konnten die Forscher in Jülich nun eine bessere Kontaktierung zwischen den Bestandteilen der Kathode und des Elektrolyten erzielen und damit den Alterungsprozess verlangsamen. Hierzu lösten sie die Bestandteile der Kathode in einer Flüssigkeit und führten diese in den porösen Elektrolyten ein. Durch die sich ausbildenden dünnen Schichten an den Porenwänden, erreicht das Team eine große Kontaktfläche. Das als Infiltration bekannte Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass Veränderungen des Volumens der Elektroden sich auf eine größere Fläche verteilen. Jedoch müssen für die Verbindung von Kathodenmaterial mit dem keramischen Elektrolyten hohe Temperaturen von über 700°C erreicht werden. Im nachfolgenden Herstellungsprozess wird das Kathodenmaterial im Schritt der Zellfertigung zur Elektrode umgewandelt.

Wie weit die Zellforschung mit Festkörperelektrolyten noch von einer kommerziellen Nutzung entfernt ist, zeigt sich allerdings bei der erreichten Energiedichte. Die im Labor getesteten Zellen auf Basis von Natrium erreichten eine Energiedichte von etwa 10 Wh/kg. Allerdings könnten laut Aussage der Forscher mit weiteren Optimierungen, wie der Reduzierung der Schichtdicken auf wenige Mikrometer, Energiedichten von 160 Wh/kg erreicht werden. Unter Berücksichtigung der Vorteile von Natrium zu Lithium, wie des geringeren Preises und der leichten Verfügbarkeit, wird eine Nutzung in Form von stationären Anwendungen interessant. Natrium-Festkörperbatterien könnten somit in Zukunft beispielsweise als Zwischenspeicher für erneuerbare Energien genutzt werden.

Quellen:

https://www.industr.com/de/natrium-festkoerperbatterie-uebersteht-ladezyklen-2389449

https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2019/fachmeldungen/2019-10-01-natriumbatterie.html

https://www.energiejobs.de/news/nachrichten/artikel-35441-jlicher-forscher-entwickeln-schnellladefhige-festkrperbatterie