Festkörperbatterien: Neuer Ansatz dank poröser Silizium-Elektroden
Forschende haben einen vielversprechenden Ansatz entwickelt, um die Leistung von Festkörperbatterien zu verbessern. Durch die Verwendung poröser Siliziumoxid-Elektroden konnten sie Haltbarkeit und Energiedichte deutlich steigern. Daraus entstehen künftig vermutlich langlebigere Batterien, geeignet für verschiedene Anwendungsbereiche.
Forschenden gelang durch den Einsatz einer porösen Struktur der Durchbruch bei der Entwicklung neuer Festkörperbatterien.
Foto: panthermedia.net / phonlamai
Ohne Batterien sind zahlreiche Geräte und Anwendungen nicht mehr denkbar. Sie versorgen eine Vielzahl von Geräten mit Energie, angefangen bei tragbaren Elektronikprodukten bis hin zu Elektrofahrzeugen und Systemen zur Speicherung erneuerbarer Energien. Vor allem Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) dominieren den Markt, doch sie weisen einige relevante Nachteile auf. Dazu zählen unter anderem eine begrenzte Lebensdauer und der Einsatz flüssiger Elektrolyte, die als giftig eingestuft sind. Die Wissenschaft hat bereits vielversprechende Alternativen entwickelt. Es handelt sich dabei um Festkörperbatterien. Insbesondere solche auf Siliziumbasis sollen langlebiger sein als herkömmliche LIBs. Allerdings gibt es noch eine entscheidende Hürde zu überwinden, bevor dieses Potenzial voll ausgeschöpft werden kann.
Feststoffbatterien: E-Autos mit über 1.000 km Reichweite und 500.000 km Lebensdauer möglich
Es existiert vor allem ein Problem bei Festkörperbatterien mit Silizium-Elektroden. Während der Lade- und Entladezyklen kommt es in den Batterien zu wiederholten Volumenänderungen: Die negative Silizium-Elektrode dehnt sich aus und zieht sich zusammen, was zu erheblichen mechanischen Belastungen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und festem Elektrolyten führt. Infolgedessen kommt es zu Rissen und Ablösungen der Elektrode, was letztendlich die Leistung der Batterie irreversibel beeinträchtigt. Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Takayuki Doi von der Doshisha-Universität in Japan einen innovativen Ansatz entwickelt. Das Team untersuchte den Einfluss von Poren in Siliziumoxid (SiOx)-Elektroden auf die Rissbildung und Ablösung.
Schlüssel für langlebige Festkörperbatterien
Um ihre Hypothese zu überprüfen, stellten die Forschenden mithilfe eines Hochfrequenz-Sputterverfahrens poröse SiOx-Elektroden her. Diese Elektroden verwendeten sie anschließend zur Herstellung verschiedener Festkörperzellen mit Li-La-Zr-Ta-O (LLZTO) als Festelektrolyt. Die entstandenen Porenstrukturen wurden eingehend analysiert – mithilfe Rasterelektronenmikroskopietechniken. Zudem untersuchten die Forschenden den Zusammenhang zwischen den Porenstrukturen und der Leistung der Zellen nach mehreren Lade- und Entladezyklen. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Die hochporösen SiOx-Elektroden zeigten eine weitaus bessere Zyklenfestigkeit im Vergleich zu nicht porösen SiOx-Elektroden, die nach den Zyklen einen erheblichen Kapazitätsverlust erlitten.
Mikroskopische Beobachtungen lieferten eine Erklärung für die unterschiedliche Leistung auf der Nanometerskala. „Nicht poröses SiOx löste sich beim 20. Zyklus teilweise vom LLZTO-Elektrolyten ab, was mit dem beobachteten drastischen Kapazitätsrückgang und dem Anstieg des Innenwiderstands übereinstimmte“, sagt Takayuki Doi. Im Gegensatz dazu kollabierte zwar die ursprüngliche Porenstruktur des porösen SiOx durch die wiederholte Ausdehnung und Kontraktion, doch die verbleibenden Poren wirkten weiterhin als Puffer gegen die inneren Spannungen und die Belastungen an der Grenzfläche. „Dies trug letztendlich dazu bei, die Verbindung zwischen Elektrode und Elektrolyt an der Grenzfläche aufrechtzuerhalten“, so Doi weiter. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie poröse Strukturen dazu beitragen können, das volle Potenzial von Festkörperbatterien auszuschöpfen.
Neue Festkörperbatterien mit höherer Energiedichte
Eine wesentliche Einschränkung sowohl von Silizium- als auch von SiOx-Elektroden in Festkörperbatterien besteht darin, dass extrem dünn sein müssen. Am besten sind sie weniger als ein Mikrometer dick. Der Hintergrund: So lassen sich Rissbildung und Ablösung vermeiden. Indem sie Poren in die SiOx-Elektroden einbauten, konnten die Forschenden jedoch stabile Lade- und Entladezyklen selbst bei einer Elektrodendicke von 5 Mikrometern erreichen. Dies stellt eine enorme Verbesserung der Raumeffizienz dar, da mehr Energie pro Volumeneinheit gespeichert werden kann. „Die dickeren SiOx-Filme, die wir hergestellt haben, führten zu einer Energiedichte der negativen Elektrode, die etwa 17-mal höher ist als die von herkömmlichen nicht porösen Siliziumelektroden“, erläutert Doi. Dieser Fortschritt eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähigerer Festkörperbatterien.
Die Erkenntnisse dieser Studie unterstreichen, welches Potenzial poröser Strukturen haben, wenn es um die Optimierung von Festkörperbatterien geht. Solche Energiespeicher werden eine Schlüsselrolle auf dem Weg zu einer nachhaltigen Gesellschaft spielen, insbesondere angesichts ihrer vielversprechenden Anwendungen im Bereich der Energieerzeugung sowohl im häuslichen als auch im industriellen Maßstab. Darüber hinaus könnten Festkörperbatterien aufgrund ihres verbesserten Sicherheitsprofils und ihrer längeren Lebensdauer Elektrofahrzeuge deutlich attraktiver machen. Die Forschenden gehen davon aus, dass ihre Ergebnisse einen Beitrag dazu leisten können, Emissionen zu reduzieren. Um die maximale Leistung einer Festkörperbatterie zu erreichen, seien aber noch weitere Studien notwendig.
Ein Beitrag von:
