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Lebensdauer von Feststoffbatterien Kein Kurzschluss mehr: Nanoschichten schützen Festkörperbatterien

Autor / Redakteur: Peter Hergersber* / Christian Lüttmann

Für eine sichere Elektromobilität haben Festkörperbatterien großes Potenzial. Ihre Lebensdauer lässt aber noch zu wünschen übrig. Nun haben Forscher Team des Fritz-Haber-Institutes, der TU München und des Forschungszentrums Jülich entdeckt, dass Nanoschichten an den Grenzen zwischen den winzigen Kristallkörnern des Feststoffelektrolyten die Batterien stabilisieren und Kurzschlüsse verhindern.

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Schutz vor einem Kurzschluss: Wie die Illustration symbolisch andeutet, verhindert eine ungeordnete Ummantelung der Kristallkörner im Elektrolyten von Festkörperbatterien, dass Elektronen (weiße Linien) durch die Körnchen wandern. Ionen können die Grenzschicht dagegen durchdringen.
Schutz vor einem Kurzschluss: Wie die Illustration symbolisch andeutet, verhindert eine ungeordnete Ummantelung der Kristallkörner im Elektrolyten von Festkörperbatterien, dass Elektronen (weiße Linien) durch die Körnchen wandern. Ionen können die Grenzschicht dagegen durchdringen.
(Bild: Vera Hiendl, e-conversion (TU München))

München – Sie gelten als die nächste Generation der mobilen Energiespeicher: Festkörperbatterien. Mit dem Potenzial für größere Reichweiten und mehr Sicherheit bieten sie entscheidende Vorteile gegenüber den herkömmlichen Batterien mit flüssigem Elektrolyt, die bisher fast jedes E-Auto antreiben.

Der flüssige Elektrolyt hat nämliche viele Nachteile: Er altert schneller als Feststoffe und ist außerdem leicht brennbar. Bei Autounfällen, in denen die Batterie eingedrückt wird und auslaufen kann, ist das besonders gefährlich. Gerade dieses Risiko soll in der nächsten Generation der Elektroautos nicht mehr bestehen, und gleichzeitig sollen deren Batterien mehr Energie speichern können. Deswegen investieren große Automobilhersteller vermehrt in die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien.

Was Festkörperbatterien noch zurückhält

Noch ist die kommerzielle Nutzung von Festkörperbatterien jedoch nicht wirtschaftlich. Denn mit den neuen Möglichkeiten ergeben sich auch neue Herausforderungen. Beim Be- und Entladen einer Batterie müssen Ionen – aktuell immer Lithiumionen – zwischen den Polen im Inneren der Batterie hin und her bewegt werden. Die beweglichen Ionen wandern in der Festkörperbatterie nicht mehr durch eine Flüssigkeit, sondern durch mehrere feste Materialien. Deshalb muss sichergestellt sein, dass diese Ionen insbesondere an allen Material- und Korngrenzen nicht auf hohe Barrieren treffen, um deren Beweglichkeit nicht einzuschränken.

In einer Festkörperbatterie besteht der Elektrolyt – also das leitfähige Medium – nicht aus einer gleichförmigen Masse, sondern aus vielen aneinandergrenzenden, festen Kristallkörnchen. Damit die Ionen zusammenhängende Wege vorfinden, werden die losen Körnchen bei der Herstellung unter hohem Druck erhitzt. Dabei bildet sich an den Grenzen der winzigen Kristalle eine Art Schmelzschicht, die die Körner verbindet. Über diese Nanoschicht kann die Ladung von einem Kristallkorn zum nächsten transportiert werden. Da die Ladung durch die ungeordnete Grenzschicht jedoch nicht so effektiv wandert wie durch die Kristallkörnchen, versuchen Forschende bislang, die ungeordneten Grenzschichten so dünn wie möglich zu halten.

Korngrenzen gegen Kurzschlüsse

Ein Team des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, der Technischen Universität München und des Forschungszentrums Jülich kommt nun allerdings zu dem Schluss, dass die ungeordneten Schmelzschichten eine positiven Effekt auf die Batterie haben: Sie verhindern Kurzschlüsse und können auch dazu beitragen, die Lebensdauer in Feststoffbatterien zu erhöhen.

Um dies herauszufinden, musste das Team die Funktion einer Korngrenze im Inneren einer Batterie im Nanobereich untersuchen. „Das ist in der Festkörperbatterie-Forschung noch weitestgehend Neuland“, sagt Rüdiger-A. Eichel, Direktor am Forschungszentrum Jülich und Professor an der RWTH Aachen. „Bisher wurden dazu hauptsächlich meso- und makroskopische Untersuchungen durchgeführt. Doch die kommen nicht dicht genug an den Ort des Geschehens ran.“

Schutzmantel für Körner bietet Gestaltungspotenzial

Mithilfe von Simulationen und experimentellen Untersuchungen ist es den Wissenschaftlern gelungen, die Grenzschicht auf atomarem Niveau zu charakterisieren. Dabei stellten die Forschenden fest, dass die ungeordneten Grenzschichten tatsächlich zur elektrochemischen Stabilisierung der Batterien beitragen. Zum einen verhindern sie, dass Elektronen durch die Kristallkörner des Elektrolyten fließen und zu einem Kurzschluss führen, statt den Weg durch den äußeren Stromkreis zu nehmen und einen Motor anzutreiben.

Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die geordnete Struktur der Kristallkörner im Feststoffelektrolyten (links und rechts) und die ungeordnete Schicht an der Korngrenze. Der Ausschnitt in der Bildmitte stellt eine Simulation auf Basis eines atomaren Modells dar.
Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die geordnete Struktur der Kristallkörner im Feststoffelektrolyten (links und rechts) und die ungeordnete Schicht an der Korngrenze. Der Ausschnitt in der Bildmitte stellt eine Simulation auf Basis eines atomaren Modells dar.
(Bild: Stegmaier et al., Advanced Energy Materials 2021)

Zum anderen könnten die Grenzschichten nach Auffassung der Forschenden die Bildung von Lithiumdendriten unterdrücken. Diese tentakelartigen Gebilde entstehen, wenn in der Batterie Elektronen und Lithium-Ionen aufeinandertreffen. Dabei entstehen Lithiumatome, die zu verästelten Strukturen heranwachen. Verbindet ein metallischer Dendrit Anode und Kathode – die Pole der Batterie – so kommt es zum Kurzschluss und die Batterie ist kaputt. „Die sich natürlich bildende, extrem dünne Schicht zwischen den Körnern in der Batterie ist eine Art Schutzummantelung, die genau das verhindert“, sagt Sina Stegmaier, Doktorandin an der TU München. Denn die Nanoschicht kann auch unerwünschte Elektronen einfangen, wie das Team aus seinen Untersuchungen folgert.

Diese Ergebnisse könnten die Gestaltung von Festkörperbatterien in naher Zukunft wesentlich beeinflussen. Gezieltes Grenzflächen-Design zur Ausbildung solcher Schutzummantelungen könnte ein vielversprechender Weg sein, um die nächste Generation sicherer Batterien langlebiger zu machen.

Originalpublikation: Sina Stegmaier, Roland Schierholz, Ivan Povstugar, Juri Barthel, Simon P. Rittmeyer, Shicheng Yu, Simon Wengert, Samare Rostami, Hans Kungl, Karsten Reuter, Rüdiger-A. Eichel und Christoph Scheurer: Nano-Scale Complexions Facilitate Li Dendrite-Free Operation in LATP Solid-State Electrolyte, Advanced Energy Materials, 28. Mai 2021; DOI: 10.1002/aenm.202100707

* P. Hergersberg, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, 80539 München

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