Sandwich-Elektrolyt für stabilere Batterien

Cambridge (USA) - In vielen kleinen Schritten steigern Batterie-Hersteller die Speicherkapazität ihrer Lithium-Ionen-Systeme. Doch einen deutlichen Sprung erwarten Batterieforscher erst von der kommenden Batterie-Generation mit festen statt mit flüssigen Elektrolyten. Allerdings sind diese Festkörperbatterien mit einer Anode aus reinem Lithium bisher noch nicht stabil genug, um ein Elektroauto mehrere Jahre mit Strom zu versorgen. Eine Lösung dieses Problems schlagen nun amerikanische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“ vor. Sie haben einen festen Elektrolyten aus mehreren Schichten entwickelt, um gefährliche Kurzschlüsse durch das Wachstum von spitzen kristallinen Dendriten zu verhindern.

„Die Lithium-Festkörperbatterie gilt wegen ihrer hohen Speicherkapazität und Energiedichte als heiliger Gral der Batterieforschung“, sagt Xin Li von der Harvard University in Cambridge. Zusätzlich könnten sie die Ladezeiten deutlich auf zehn bis 20 Minuten statt mehrerer Stunden reduzieren. Im Labor funktionieren Prototypen solcher effizienten Stromspeicher für kurze Zeit schon relativ gut. Doch allzu oft wachsen schon nach einigen Dutzend Ladezyklen auf der Anode durch die Ablagerung von Lithiumatomen spitze Dendriten. Diese stechen durch den Elektrolyten und können so Kurzschlüsse verursachen.

Um dieses Problem zu lösen, ging Xin Li gemeinsam mit seinem Kollegen Luhan Ye einen ungewöhnlichen Weg. Die beiden Forscher wollten gar nicht erst das Dendriten-Wachstum selbst verhindern. Vielmehr setzten sie darauf, es besser zu kontrollieren. Das gelang ihnen mit einem mehrschichtigen festen Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden der Batterie. Die erste Schicht aus einem Lithium-haltigen Material – LPSCl – blieb in Kontakt mit der Lithium-Anode chemisch stabil, konnte aber von den Dendriten durchdrungen werden. Daher ergänzten die Forscher eine zweite Schicht, die als eine Art Schutzwall wirkte und ein weiteres Dendritenwachstum blockierte. Es bestand aus einem Material aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel – kurz LGPS. „Mit unserem Schicht-Design konnten wir das Wachstum der Dendriten leiten und kontrollieren“, sagt Luhan Ye.

Mit diesem Konzept fertigten die Forscher mehrere Prototypen. In vielen Versuchsreihen ließen sich die Batterien mit hohen Stromdichten schnell aufladen. Selbst nach mehreren tausend Ladezyklen blieben sie stabil und auch die Speicherkapazität verringerte sich lediglich um knapp 20 Prozent. Allerdings speicherten die bisher nur auf Stabilität optimierten Batterien nicht signifikant mehr Strom als handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien. Doch sind die beiden Experten davon überzeugt, dass sich mit weiteren Verbesserungen der Materialien und der Fertigungsprozesse deutlich höhere Speicherkapazitäten mit diesen Festkörper-Batterien erreichen lassen.