Forschende an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben wichtige Fortschritte bei der Forschung an Lithium-Festkörperbatterien erzielt. Mit Hilfe von Polymermolekülen gelang es dem Forschungsteam, eine biegsame Batterie mit stabiler Stromstärke und hoher Energiedichte zu entwickeln. Die flexible Batterie soll bis zu 20.000 Biegungen standhalten können.
Dem chinesischen Semder CGTN zufolge könnte die Innovation dabei helfen, langjährige Herausforderungen wie die typischerweise hohen Grenzflächenwiderstände und die geringe Ionentransporteffizienz in Festkörperbatterien zu überwinden.
Festkörperbatterien gelten als wichtiger nächster Schritt für die Batterieforschung, da sie sicherer als Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen oder halbfesten Elektrolyten sind und höhere Energiedichten erzielen. Durch die höheren Energiedichten könnten die Antriebsbatterien in E-Autos künftig kleiner dimensioniert und somit günstiger werden, aber dennoch zufriedenstellende Reichweiten bieten. Oder sie könnten auf gleichem Raum mehr Energie speichern – und somit die gängigen Reichweiten von Elektroautos deutlich erhöhen.
Fest, aber flexibel: Neues Material könnte Festkörperbatterien langlebiger machen
Der Einsatz von Festelektrolyten ist bislang aber noch herausfordernd – so führt der vergleichsweise schlechte Kontakt zwischen Elektroden und festen Elektrolyten oft zu erheblichen Ionentransportwiderständen, einer verminderten Effizienz und einer verkürzten Lebensdauer, was einer Massenproduktion bislang im Wege steht. Bei klassischen Lithium-Ionen-Batterien benetzt der flüssige Elektrolyt die Elektroden hingegen vollständig, wodurch sich eine perfekte und flexible Kontaktfläche ergibt.
Ein Forschungsansatz, um den Kontakt zwischen Elektroden und Festelektrolyten zu optimieren, ist die Entwicklung elastischer Festelektrolyten. So versuchten es auch die Forschenden des Instituts für Metallforschung, das zur chinesischen Akademie der Wissenschaften gehörten: Das Team entwickelte ein polymerbasiertes Material mit ionenleitenden Ethoxygruppen und elektrochemisch aktiven kurzen Schwefelketten in einem Polymergerüst. Das Design soll eine Grenzflächenintegration auf molekularer Ebene ermöglichen, wodurch der Ionentransport effizienter werden und ein kontrollierbarer Wechsel zwischen Ionentransfer und -speicherung ermöglicht werden soll.
Den Forschenden zufolge weisen die flexiblen Batterien, die mithilfe dieses Materials hergestellt wurden, eine ausgezeichnete Biegefestigkeit auf. Bei der Verwendung als Polymerelektrolyt in Verbundkathoden konnte die Energiedichte des überprüften Systems demnach zudem um bis zu 86 Prozent gesteigert werden.
Die Studie, die jüngst in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, könnte nun neue Strategien und Ansätze für das Materialdesign und für die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien liefern, heißt es im CGTN-Bericht. Bis die Entdeckung ihren Weg in die Massenproduktion findet, dürfte es allerdings noch dauern – sofern sie sich überhaupt wirtschaftlich skalieren lässt.
Die Festkörpertechnologie ist aber längst kein reines Labor- und Forschungsthema mehr: Mercedes-Benz etwa berichtete erst im September von einem modifizierten EQS, der mit einer Lithium-Metall-Festkörperbatterie die gut 1200 Kilometer lange Strecke zwischen Stuttgart und dem schwedischen Malmö ohne Ladestopp zurückgelegt hat.
Quelle: CGTN – Chinese scientists develop solid-state battery that withstands 20,000 bends
