Stabile Festkörperbatterien dank PSI vor Durchbruch
Mehr Energie speichern, schneller laden, sicherer in der Handhabung, längere Nutzungsdauer. Diese Vorteile bieten Festkörperbatterien auf Basis von Lithium-Metall gegenüber Lithiumionen-Speichern. PSI-Forschern ebneten den Weg zur Marktreife.
Quelle: Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic
Festkörperbatterien mit langer Nutzungsdauer lassen sich kostengünstig und effizient herstellen. Das Bild zeigt eine Testzelle, in der die am PSI entwickelte Festkörperbatterie hergestellt und getestet wird.
Festkörperbatterien werden mit Blick auf die Elektromobilität und die dringend benötigte stationäre Energiespeicherung grosses Potenzial zugeschrieben. Diese Art von Speicher sind wissenschaftlich anerkanntermassen sicherer als herkömmliche Lithiumionen-Batterien, unter anderem weil keine brennbaren Flüssigelektrolyte Verwendung finden.
Allerdings stehen zwei zentrale Probleme der Marktreife im Weg. Zum einen ist die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode kritisch zu sehen. Denn diese bilden winzige nadelartige Metallstrukturen, die den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden durchdringen, sich zur Kathode hin ausbreiten und Kurzschlüsse verursachen. Zum anderen beeinträchtigt eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten langfristig die Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie.
Um diese beiden Hindernisse zu überwinden, entwickelte das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am Paul Scherrer Institut PSI, ein neues Fertigungsverfahren: «Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren», erklärt der Wissenschaftler das Vorgehen.
Besser verdichten, Hohlräume verhindern
Im Mittelpunkt der PSI-Studie steht der Argyrodit-Typ, 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. Die Eigenschaft macht Elektrolyten, die auf Argyrodit basieren, zu vielversprechenden Kandidaten für Festkörperbatterien. Doch bisher scheiterte die Verwendung von Argyrodit und die Umsetzung dieses Speichertyps an der Herausforderung, das Material ausreichend zu verdichten und die Entstehung von Hohlräumen zu verhindern, in die Lithiumdendriten eindringen können. Ziel der Forschungen war es, einen robusten Elektrolyten sowie eine stabile Grenzfläche zu schaffen.
Quelle: Paul Scherrer Institut PSI/Jinsong Zhang
Auf dem Bild ist links ein poröser Festelektrolyt zu sehen, durch den Lithium-Dendriten (grau) bis zur Lithiumoberfläche (silbern) vordringen können. Die Grenzfläche ist nur durch eine natürliche Grenzschicht (rosa) geschützt. Rechts ist die Lösung der PSI-Forscher abgebildet. Dabei handelt es sich um einen dicht gesinterten Festelektrolyt mit stabilisierender Lithiumfluorid-Beschichtung (blau), die das Eindringen von Dendriten verhindert. Dadurch ist die Lithiumoberfläche geschützt.
Für die Verdichtung des Festelektrolyten kamen bis anhin vor allem zwei Verfahren zur Anwendung. Das Material wurde entweder bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck oder im anderen Fall bei Temperaturen von über 400 Grad Celsius verdichtet. Beim Heisspressverfahren werden die Partikel durch gängige Sinterprozesstechnik zu einer dichteren Struktur verschmolzen.
Beide Methoden hatten jedoch unerwünschte Nebenwirkungen. Pressen bei Raumtemperatur führt zu einer porösen Mikrostruktur und übermässigem Kornwachstum. Die Verarbeitung bei sehr hohen Temperaturen wiederum ist mit dem Risiko einer Zersetzung des Festelektrolyten verbunden.
Druck und Temperatur optimieren
Die PSI-Forschenden mussten daher einen neuen Ansatz wählen. Um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, ging das Team um El Kazzi bei Temperatur und Druck auf behutsame Weise vor. Der Pressvorgang des Minerals erfolgte unter mässigem Druck und bei vergleichsweise moderater Temperatur von rund 80 Grad Celsius. Durch die starke Bindung der Partikel wurden poröse Bereiche des Minerals kompakter und kleine Hohlräume geschlossen. Das Ergebnis ist eine dichte Mikrostruktur, die dem Eindringen von Lithium-Dendriten entgegenwirkt. In dieser Form bietet der Festelektrolyt beste Voraussetzungen für einen schnellen Transport der Lithiumionen. Die sanfte Version des Sintervorgangs und die damit einher gehende Anordnung der Partikel hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die chemische Stabilität des Materials verändert sich nicht.
Die sanfte Sinterung war allerdings lediglich ein Ansatzpunkt der Forscherinnen und Forscher. Denn bei hohen Stromdichten mit schnellen Lade- und Entladezyklen sind die Festkörperzellen hohen Belastungen ausgesetzt. Damit Batterien beim Gebrauch zuverlässig funktionieren, war eine weitere Modifikation erforderlich.
An der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt musste eine Passivierungsschicht eingezogen werden. Für die 65 Nanometer dünne Schicht wurde zuerst Lithiumfluorid verdampft und anschliessend die Lithium-Oberfläche unter Vakuum beschichtet. Diese Zwischenschicht verhindert einerseits die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium, indem die Bildung von inaktivem Lithium unterdrückt wird. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.
Testserie bestätigt Forschungsergebnisse
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 wanderten immer noch drei Viertel der Lithiumionen von der Kathode zur Anode. Damit waren nach wie vor etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität verfügbar. «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.
Industrielle Herstellung bald möglich
Das Team um El Kazzi zeigte damit erstmals, dass die Kombination aus schonendem Sintern des Festelektrolyten und einer dünnen Passivierungsschicht auf der Lithium-Anode sowohl die Bildung von Dendriten als auch die Grenzflächeninstabilität wirksam unterdrücken kann. Diese kombinierte Lösung markiert einen wichtigen Fortschritt bei Forschungen zum Thema Festkörperbatterien. Dabei ergeben sich sowohl in ökologischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht Vorteile, etwa indem durch geringere Prozesstemperaturen weniger Energie verbraucht und tiefere Kosten resultieren. El Kazzi sieht im Ansatz der Wissenschaft eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis. «Noch ein paar zusätzliche Anpassungen und wir könnten loslegen.» Der Beitrag ist zuerst auf der Site des PSI erschienen. Über die Ergebnisse berichtet das Forscherteam vor Kurzem auch im Wissenschaftsjournal Advanced Science.
