Feststoff-Elektrolyte für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien

Leistungsfähige, langlebige Energie­speicher sind für viele Zukunfts­techno­logien von zentraler Bedeutung: etwa für die Elektro­mobilität, für mobile Endgeräte wie Tablets oder Smart­phones oder zur effi­zienten Nutzung regene­ra­tiver Energien. Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Werk­stoff­mechanik konnten jetzt klären, wie Fest­stoff-Elektro­lyte aus Keramik chemisch zusammen­gesetzt sein müssen, um gute Leistung in Lithium-Ionen-Batterien zu erbringen. Solche Feststoff-Elektrolyte sind umwelt­freund­licher als herkömm­liche Flüssig-Elektrolyte und könnten Lithium-Ionen-Batterien deutlich leistungs­fähiger und betriebs­sicherer machen.

„Die Überlegung, dass keramische Festkörper-Elektrolyte eine viel­ver­sprechende Alter­native für herkömm­liche Flüssig-Elektrolyte in Batterien und Akkumu­la­toren sein könnten, ist in der Material­wissen­schaft nicht neu“, erklärt Daniel Mutter vom Fraun­hofer-IWM. Im Vergleich zu herkömm­lichen Flüssig-Elektrolyten sind Festkörper-Elektrolyte sicherer im laufenden Betrieb: Sie bergen eine deutlich geringere Explosions­gefahr und bei einer Beschädigung, beispiels­weise durch einen Crash, tritt keine Säure aus, die bei Menschen Verätzungen und Vergiftungen hervor­rufen kann.

Im Allgemeinen fällt die ionische Leit­fähig­keit von Keramik-Materialien geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Eine hohe ionische Leit­fähig­keit verspricht jedoch die Klasse der NZP-Keramiken: Ihr struktu­reller Aufbau ermöglicht die Existenz von „Wander­pfaden“, auf denen sich Lithium-Ionen leicht fort­bewegen können. Das macht sie zum interessanten Kandidaten für hoch­leistungs­fähige Fest­körper­elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien.

Unklar war bisher allerdings, warum bestimmte Verbindungen leistungs­fähiger sind als andere und welche tatsächlich besonders gute Leistung erbringen. Die Anforde­rungen an die Material­eigen­schaften von Batterie-Elektrolyten sind beachtlich: Die ionische Leit­fähig­keit soll hoch und die verwendeten chemischen Elemente sowohl ungiftig als auch reich­haltig in der Erdkruste vorhanden sein.

Mutter und seine Kollegen identi­fi­zierten mithilfe atomis­tischer Simu­la­tionen mehrere Kombi­na­tionen chemischer Elemente für NZP-Keramiken, die für diese Anforde­rungen besonders viel­ver­sprechend sind. „Mit dieser computer­basierten Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigen­schaften und der Stabilität verschiedener chemischer Element­ver­bin­dungen machen, ohne diese tatsäch­lich chemisch synthe­ti­sieren zu müssen“, erklärt der Forscher. Der Vorteil: Die tatsäch­liche Synthese ist teuer und benötigt Ressourcen.

„Diese besonders vorteilhaften Keramik-Festkörper-Elektrolyte können wir unter Umständen mit sehr leistungs­fähigen Lithium-Metall-Anoden kombi­nieren – das ist bei den heute gebräuch­lichen flüssigen Elektro­lyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metal­lischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, erklärt Mutter. „Im nächsten Schritt könnten wir mit Partnern praktisch testen, ob unsere vorher­gesagten Elektro­lyt­materi­alien die Ionen­leit­fähig­keit wie erwartet deutlich steigern und daraus bestehende Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungs­dichte erreichen.“ Das hieße konkret: Kürzere Ladedauer bei längerer Betriebs­zeit, was insbe­sondere für die Elektro­mobilität von Vorteil wäre. Zudem bedeutet diese Kombi­nation weniger Gewicht, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter sind als die bisher verwendeten Graphit-Anoden.

Die chemischen Elemente, aus denen die unter­suchten Elektro­lyt­materi­alien bestehen, sind zahlreich in der Erdkruste in Europa vorhanden und verhältnis­mäßig leicht abbaubar. So wird vermieden, dass Elemente wie etwa Kobalt, das beispiels­weise in Lithium-Ionen-Batterien von Smart­phones zum Einsatz kommt und oftmals aus dem Kongo importiert wird, zur Herstellung benötigt werden. Über die Vorhersage viel­ver­sprechender Material­zusammen­setzungen hinaus trägt die Unter­suchung zum besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken bei. So zeigte sich, dass die für die Lithium-Ionen-Wanderung nötige Migrations­energie auf eine andere Weise von der Sauer­stoff­umgebung um den Ionen­wanderungs­pfad abhängt als bisher vermutet. Identi­fi­zierte Struktur-Eigen­schafts­beziehungen ermög­lichen deutlich fundiertere Vorher­sagen über die Aus­wirkungen der elemen­taren Besetzungen auf das Struktur­gerüst und die Ionen­leit­fähig­keit der NZP-Keramiken.

Fh.-IWM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  D. Mutter,  D. F. Urban & C. Elsässer: Computational analysis of composition-structure-property-relationships in NZP-type materials for Li-ion batteries, J. Appl. Phys. 125, 215115 (2019); DOI: 10.1063/1.5091969
• Gruppe Materialmodellierung, Geschäftsfeld Materialdesign, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg