Energiespeicher unter der Lupe

Die Erforschung und Entwicklung von elektro­chemischen Energiespeichern gehören weltweit zu den aktivsten Arbeitsgebieten der Material­wissen­schaften. Mit dem rasant wachsenden Bedarf an leistungs­fähigen Batterien für zahlreiche Anwendungs­gebiete nimmt das Interesse an den erreichbaren Lade­kapazitäten und -geschwindig­keiten zu. Ebenso wird das Augenmerk auf die Lebensdauer, die Sicherheit und die Verfügbarkeit der stofflichen Ressourcen sowie die CO2-Bilanz größer. Vor diesem Hintergrund haben Jürgen Janek von der Uni Gießen und Wolfgang Zeier von der Uni Münster die Entwicklungen der vergangenen zehn Jahre auf dem Gebiet der Festkörper­batterien unter die Lupe genommen. Dafür analysierten die Forscher den derzeitigen Stand der Technik und liefern eine kritische Betrachtung der Heraus­forderungen und offenen Frage­stellungen, deren Bewältigung notwendig ist, um die Festkörper­batterie wettbewerbs­fähig werden zu lassen.

Festkörperbatterien sind Weiter­ent­wicklungen der Lithium-Ionen-Batterien, deren Funktion mit einem flüssigen, organischen Elektrolyten erreicht wird. Bei Festkörper­batterien soll – die Bezeichnung sagt es bereits – ein fester Elektrolyt zum Einsatz kommen, was bessere Speicher­eigen­schaften, längere Lebensdauern und erhöhte Sicherheit verspricht. Die Entwicklung von Festkörper­batterien wird seit etwa zehn Jahren durch intensive Forschungs­arbeiten weltweit voran­getrieben.

„Es wird deutlich, dass das Konzept der Festkörper­batterie mittlerweile viele Varianten umfasst, deren Erfolg auch heute noch nicht sicher absehbar ist“, fasst Janek den Stand der Entwicklung zusammen. Trotz der umfangreichen Aktivitäten in Forschungs­einrichtungen und Industrie­unternehmen gäbe es bislang noch keinen messbaren Fortschritt gegenüber der etablierten Lithium-Ionen-Technologie, so ein Fazit der Wissenschaftler. Als entscheidende Heraus­forderungen benennen sie in der Analyse verschiedene Aspekte.

So ist ein Kernpunkt die Entwicklung fester Elektrolyte, die bei möglichst geringer Lithium­konzentration gleichzeitig höhere Batterie­leistungen und Sicherheit gewährleisten. Außerdem wird ein Anoden­material höchster Kapazität benötigt, das ein geringeres Volumen und Gewicht der Batterie ermöglicht. Generell seien neue Ansätze in der Material­forschung durch die Kombination von Theorie und Experiment und vor allem durch die Zusammen­arbeit möglichst diverser Disziplinen wichtig. „Unser Ausblick ist optimistisch. Festkörper­batterien werden zweifellos die Kommer­ziali­sierung erreichen. Es bleibt aber offen, wann und in welchem Umfang“, sagt Zeier.

Bereits 2016 analysierten Janek und Zeier die Perspektiven von Festkörper­batterien. In ihrer neuen und umfassenderen Studie aktualisieren die beiden Autoren nun ihre Analyse. Waren 2016 noch viele grundsätzliche Fragen offen und weitgehend ungeklärt, so spielen nun zusätzlich Faktoren eine Rolle, die einerseits der techno­logischen Umsetzung geschuldet sind und andererseits die wichtigen Fragen der stofflichen Ressourcen und Kosten berühren. Janek und Zeier gehören zu den international führenden Wissen­schaftlern im Bereich der physikalisch- und anorganisch-chemischen Material­forschung.

JLU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Janek & W. G. Zeier: „Challenges in speeding up solid-state battery development“, Nat. Energy, online 23. Februar 2023; DOI: 10.1038/s41560-023-01208-9
• Physikalische Festkörperchemie – Festkörperionik und Elektrochemie (J. Janek), Physikalisch-chemisches Institut, Justus-Liebig-Universität Gießen
• Materials by Design (W. Zeier), Institut für anorganische und analytische Chemie, Westfälische Wilhelms-Universität Münster