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TU Graz will Festkörperbatterien mehr Power geben

© TU Graz© TU GrazGraz – Im Unterschied zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ist die Leistungsdichte von Festkörperbatterien ein Vielfaches höher. Doch die Festkörperlelektrolyten haben noch nicht die hohe Ionen-Leitfähigkeit wie Flüssigelektrolyte. Das soll sich ändern.

Die TU Graz startet das Christian Doppler-Labor für Festkörperbatterien. Das Ziel ist die Reduktion der Grenzflächenwiderstände innerhalb der Festkörperbatterie, damit die Batterien der Zukunft mehr Power haben. Unternehmenspartner ist die österreichische AVL, die auf die Entwicklung von Antriebssystemen spezialisiert ist.

Festkörperbatterien – ein Riesenschritt für die E-Mobilität
In den letzten Jahren wurde bereits intensiv an Festkörperelektrolyten geforscht und Materialien entwickelt, die eine ähnlich hohe Ionen-Leitfähigkeit besitzen wie Flüssigelektrolyte. Das Ziel vor Augen war stets klar: Batterien mit festen Elektrolyten, etwa aus Keramiken, erreichen ungemein höhere Energie- und Leistungsdichten als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt und wären obendrein feuerfest. „Festkörperbatterien wären ein Riesenschritt in Richtung flächendeckende E-Mobilität“, betont Daniel Rettenwander vom Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz. Das Problem: An den Grenzflächen bilden sich hohe Wiederstände, die zu einem Verlust an Power führen.

Widerstand an der Grenzfläche bremst Ionen-Fluss – neues Institut
Den gebremsten Ionen wieder Schwung verleihen will das von Rettenwander geleitete neue „Christian Doppler Labor für Festkörperbatterien“ in Graz, das gemeinsam mit dem Unternehmenspartner AVL am 12. November 2020 eröffnet wurde. Im Fokus steht die Grenzfläche zwischen Festkörperelektrolyt und Elektrodenmaterial sowie zwischen Partikeln des Elektrolyten selbst, insbesondere diverse Kontaktinhomogenitäten. Diese führen bei sehr hohen Stromraten zu lokalen Stromspitzen, wodurch Lithium-Ionen nicht mehr genug Zeit haben, sich gleichmäßig an der Grenzfläche zu verteilen.

Im Fall von Lithium-Metall-Festkörperelektrolyten bilden sich an der Grenzfläche nadelartige Strukturen (Dendriten), die durch den Elektrolyten hindurch wachsen und im schlimmsten Fall zum Kurzschluss und zum Entzünden der Batterie führen. Der Kontaktverlust durch die Volumenänderung des Kathodenmaterials während der Lade- und Entladevorgängen und die elektrochemische Zersetzung des Festkörperelektrolyten bei hohen Zellspannungen aufgrund thermodynamischer Instabilität sind weitere Gründe, die der Entwicklung von Festkörperbatterien derzeit im Wege stehen.

Grenzflächenakrobatik: Lösungsansätze für Festkörperbatterien mit mehr Power
Rettenwander und sein Team haben mehrere Lösungsansätze für das Grenzflächenproblem im Fokus: „Die Stromdichtenverteilung an den Grenzflächen lassen sich zum Beispiel homogenisieren, indem man Zwischenschichten mit fein abgestimmten Lithium-Transporteigenschaften einbringt.“ Zudem sollen alternative Ladeformen getestet und anstelle von Gleichstrom verschiedene Pulsladeformen verwenden werden, um eine homogene Lithiumabscheidung zu erzielen.

Ein weiteres Ziel ist es, leichtere Festkörperbatterien bei gleichzeitigem Ausgleich des Kontaktverlustes durch Ausdehnung des Kathodenmaterials beim Laden und Entladen zu erreichen. Dieses Ziel könne aus einer Kombination aus keramischen (hohe Leitfähigkeit) und polymerbasierten (gute mechanische Eigenschaften) Elektrolyten erreichen. Allerdings entsteht dabei zwischen Keramik und Polymer eine neue Grenzschicht, die es zu überwinden gilt. Beim Entwickeln von geeigneten Polymere und beim Modifizieren der Oberflächen von keramischen Materialien arbeitet Rettenwanders CD-Labor mit dem „CD-Labor für Organokatalyse in der Polymerisation“ von TU Graz-Kollegen Christian Slugovc sowie mit der Arbeitsgruppe von TU Graz-Forscher Gregor Trimmel zusammen.

© IWR, 2020


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