Feststoff-Lithium-Ionen-Akkus gelten als sichere Batterien der Zukunft. Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff ermöglicht hohe Energiedichten und entschärft Probleme wie Auslaufen, Überhitzen, Abbrand und Giftigkeit, mit denen heutige Lithium-Ionen-Akkus immer wieder zu kämpfen haben. Zudem könnte die Jülicher Feststoff-Lithium-Ionenbatterie eine deutlich längere Lebensdauer aufweisen und weniger temperaturempfindlich sein. Die neue Feststoff-Lithium-Ionenbatterie weist jedoch noch weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf insbesondere am Elektrolyten und der Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem festen Elektrolyten auf.
Widerstand des Keramik-Elektrolyt noch zu hoch
Aufgabe des Elektrolyten ist es, Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zur Kathode zu leiten und die beiden Pole gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Anstelle einer Flüssigkeit kann auch ein Festkörper diese Funktion übernehmen. Dafür geeignete Materialien weisen Leerstellen in ihrer atomaren Gitterstruktur auf. Lithium-Ionen können sie besetzen und sich so „hüpfend“ durch den Festkörper bewegen.
Der Mechanismus läuft dabei allerdings etwas langsamer ab als die Diffusionsvorgänge innerhalb eines flüssigen Elektrolyten. Das erhöht den Widerstand für den Ionentransport, was die abrufbare Leistungsdichte der Batterie verringert. Diese schlechtere spezifische Leitfähigkeit lässt sich aber durch die Ausführung des Elektrolyten als dünne Schicht ausgleichen. Die Jülicher Wissenschaftler werden daher fortan daran forschen, die Dicke des Feststoffelektrolyten auf wenige Mikrometer zu reduzieren.
Grenzfläche zwischen Elektroden und Elektrolyten
Eine weitere technische Schwierigkeit stellt zudem die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten dar: Einen flüssigen Elektrolyten können feinstrukturierte Elektroden wie ein Schwamm aufnehmen. Doch zwei angrenzende Festkörper lassen sich nicht so einfach lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt fällt entsprechend höher aus.
Durch die Abstimmung der Herstellungsverfahren ist es den Jülicher Forschern gelungen, den Gesamtinnenwiderstand der Zelle von 20 Kiloohm auf 2 Kiloohm pro Quadratzentimeter zu reduzieren. Ziel soll es jedoch sein, durch Verringerung der Elektrolytdicke die Werte heutiger Lithium-Ionenbatterien von 50 Ohm pro Quadratzentimeter zu erreichen, wobei die Energiedichte aufgrund der Materialeinsparung dann deutlich höher ausfallen dürfte.
Vorteile von Feststoff-Lithium-Ionenbatterien
Lithium-Ionenbatterien sind insbesondere für mobile Anwendungen wie tragbare Elektrogeräte und Fahrzeuge die erste Wahl. Aber auch als PV-Stromspeicher werden Lithium-Ionen-Akkus immer häufiger eingesetzt. Grund ist in erster Linie ihre hohe Energiedichte. Und diese ließe sich mit Feststoff-Lithium-Ionenbatterien noch deutlich steigern, denn die Zellen lassen sich übereinander stapeln.
Anders als herkömmliche Akkus mit Flüssig-Elektrolyt benötigen die unbedenklichen und mechanisch unempfindlichen Festkörper-Batterien zudem keine platzraubenden Kühl- und Schutzvorrichtungen. Selbst die unvermeidlich auftretenden Stöße und Vibrationen bei Anwendungen im Automobilbereich verkraften sie ohne aufwendige Stützkonstruktionen, die für konventionelle Flüssigzellbatterien erforderlich sind.