Neuer Ansatz für die Entwicklung von Festkörperbatterien
Ein Forschungsteam aus Korea hat einen Durchbruch auf dem Gebiet der Festkörperbatterien verkündet. Im Fokus der Arbeit steht ein neuartiger Festelektrolyt auf Chloridbasis, der eine außergewöhnliche ionische Leitfähigkeit aufweisen soll. Das könnte die Entwicklung ganz neuer Batterien ermöglichen.
Vor allem für Akkus von Elektroautos soll das Risiko sinken, dass sie anfangen zu brennen.
Foto: panthermedia.net/happybuzza
Ein großes Problem der aktuell gängigen Batterien ist ihre Abhängigkeit von flüssigen Elektrolyten. Denn sie sind unter bestimmten Bedingungen entflammbar – vor allem, wenn sich der Akku verformt. Beim Einsatz in Elektroautos gilt das als ein großes Manko. Denn die Angst vor Akkus, die nach einem Unfall zu brennen anfangen und sich schwer wieder löschen lassen, ist groß. Das Problem wird drängender, da die Zahl der E-Autos auf den Straßen stetig zunimmt. Neue Batterie-Konzepte sind also nicht nur für eine bessere Reichweite und die Klimabilanz wichtig, sondern auch für die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer.
Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen am Institute for Basic Science (IBS) im koreanischen Daejeon haben sich mit diesem Thema beschäftigt. Die Forschungseinrichtung ist auf Grundlagenforschung spezialisiert und sucht nach neuen Kernkomponenten für Batterien. Nach Aussage der Forschenden ist ihnen in dieser Hinsicht ein Durchbruch gelungen. Ihre Erkenntnisse seien von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung der Festkörperbatterietechnologie.
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Viele Batterie-Konzepte kommen nicht ohne Seltene Erden aus
Ziel ist es also, Festkörperbatterien fit für den alltäglichen Gebrauch zu machen. Dafür werden Materialien benötigt, die eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig über eine robuste chemische und elektrochemische Stabilität verfügen, und das bei einer möglichst großen mechanischen Flexibilität. Die bisherige Forschung hat unter anderem bereits zu sulfid- und oxidbasierten Festelektrolyten geführt, deren Ionenleitfähigkeit tatsächlich hoch ist. Als Rohstoffe für die Batterie-Herstellung sind sie aber trotzdem noch nicht optimal, weil ihnen Top-Werte in den anderen Bereichen fehlen.
Auch Festelektrolyte auf Chloridbasis standen bereits im Fokus der Forschung. Denn sie sind für ihre hervorragende Ionenleitfähigkeit, mechanische Flexibilität und Stabilität bei hohen Spannungen bekannt. Trotzdem wurden sie nicht als die besten Kandidaten für Festkörperbatterien gehandelt. Denn die Herstellung entsprechender Akkus brächte ein neues Problem mit sich: Für die Chloridbatterien würden Seltene Erden als Sekundärkomponenten benötigt wie Yttrium, Scandium und Lanthan. Sie sind schlecht verfügbar und daher teuer. Eine Massenproduktion von Akkus für Elektroautos ließe sich mit ihnen kaum umsetzen. Das Forschungsteam suchte daher nach einem Weg, auf die Seltenen Erden zu verzichten.
Metallionen sind der Schlüssel
Um dieses Problem zu lösen, untersuchten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom IBS die Verteilung der Metallionen in Chlorid-Elektrolyten. Sie vermuteten, dass der Grund, warum trigonale Chloridelektrolyte eine niedrige Ionenleitfähigkeit erreichen können, in der unterschiedlichen Anordnung der Metallionen innerhalb der Struktur liegen könnte.
Sie testeten diese Theorie zunächst an Lithium-Yttrium-Chlorid, einer gängigen Lithium-Metallchlorid-Verbindung. Befanden sich die Metallionen in der Nähe der Lithiumionenbahn, behinderten elektrostatische Kräfte ihre Bewegung. Umgekehrt wurde der Weg für die Lithiumionen zu eng, wenn die Metallionenbesetzung zu gering war, wodurch ihre Mobilität behindert wurde.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen, führte das Forscherteam Strategien ein, um Elektrolyte so zu gestalten, dass diese widersprüchlichen Faktoren verringert werden, was schließlich zur erfolgreichen Entwicklung eines Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit führte. Die Forschenden setzen dieses Konzept erfolgreich um, indem sie eine Lithium-Metall-Chlorid-Festkörperbatterie auf der Basis von Zirkonium herstellten, die weitaus billiger ist als die Varianten, die Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden verwenden. Nach Angaben des Teams sei dies der erste Fall, in dem die Bedeutung der Anordnung der Metallionen für die Ionenleitfähigkeit eines Materials nachgewiesen werden konnte.
Günstige und sichere Festkörperbatterien im Blick
Diese Forschung demonstriert die Rolle der Metallionenverteilung für die Ionenleitfähigkeit von Festelektrolyten auf Chloridbasis. Das IBS-Team geht davon aus, dass diese grundlegenden Erkenntnisse den Weg ebnen für die Entwicklung verschiedener chloridbasierter Festelektrolyte. Das könnte wiederum zu Festkörperbatterien führen, die erschwinglich sind und gleichzeitig einen höheren Grad an Sicherheit versprechen.
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