Solarbranche.de

Branchenportal für die Solarenergie

Fotolia 36745099 1280 256

Nanoschichten sollen den Weg zu langlebigen Festkörperbatterien ebnen

© Vera Hiendt, TU München© Vera Hiendt, TU MünchenMünchen - Festkörperbatterien sind eine echte Alternative zu Lithiumbatterien und können Elektroautos zu längeren Reichweiten verhelfen. Doch noch sind Festkörperbatterien nicht langlebig genug. Das soll sich mit Hilfe von gezielten Grenzflächen-Designs ändern.

Ein Team des Fritz-Haber-Institutes, der TU München und des Forschungszentrum Jülich zeigen in Untersuchungen einen Weg auf, wie die Lebensdauer der Feststoffbatterien durch ein gezieltes Grenzflächen-Design erhöht werden kann.

Automobilindustrie investiert massiv in Festkörperbatterien
Festkörperbatterien versprechen nicht nur größere Reichweiten, sie sind auch sicherer als die herkömmlichen Batterien mit flüssigem Elektrolyt, die bisher fast jedes E-Auto antreiben. Der flüssige Elektrolyt hat viele Nachteile, denn er altert schneller als Feststoffe und ist außerdem leicht brennbar. Gerade dieses Risiko sollte in der nächsten Generation der Elektroautos nicht mehr bestehen. Zudem soll die Speicherleistung der Batterien erhöht werden. Gena aus diesem Grund investieren große Automobilhersteller wie BMW, Daimler, Ford und Volkswagen nun vermehrt in die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien, teilte die Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. mit.

Problem der Festkörperbatterien – Ionen müssen durch feste Materialien wandern
Beim Be- und Entladen von Batterien müssen Ionen (aktuell Lithiumionen) zwischen den Polen (Anode, Kathode) im Inneren der Batterie hin und her bewegt werden. Allerdings wandern die Ionen in der Festkörperbatterie nicht mehr durch einen flüssigen Elektrolyten, sondern durch feste Materialien. Das Medium besteht dabei aus sehr vielen aneinandergrenzenden, festen Kristallkörnchen, d.h. für die Ionen ist der Weg mit mehr oder weniger starken Barrieren gepflastert.

Schmelzschicht – Neue Erkenntnisse zur Bedeutung der Grenzschicht-Dicke
Damit die Ionen zusammenhängende Wege vorfinden, werden die losen Körnchen bei der Herstellung unter hohem Druck erhitzt. Dabei bildet sich an den Grenzen der winzigen Kristalle eine Art Schmelzschicht, die die Körner verbindet. Über diese Nanoschicht kann die Ladung von einem Kristallkorn zum nächsten transportiert werden. Da die Ladung über die ungeordnete Grenzschicht jedoch nicht so effektiv wandert wie durch die Kristallkörnchen selbst, versuchen Forschende bislang, die ungeordneten Grenzschichten so dünn wie möglich zu halten. Doch nun kommt ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, der Technischen Universität München und des Forschungszentrums Jülich zu dem gegenteiligen Ergebnis, dass gerade die ungeordneten Schmelzschichten die unerwünschten Kurzschlüsse in Feststoffbatterien verhindern und auch dazu beitragen können, deren Lebensdauer zu erhöhen.

Untersuchung der Schmelzschicht auf atomarem Niveau belegen
Um die Bedeutung der ungeordneten Schmelzschichten zu untersuchen, musste das Team die Funktion einer Korngrenze im Inneren einer Batterie im Nanobereich untersuchen. „Das ist in der Festkörperbatterie-Forschung noch weitestgehend Neuland“, sagt Rüdiger-A. Eichel, Direktor am Forschungszentrum Jülich und Professor an der RWTH Aachen, Mithilfe von Simulationen und experimentellen Untersuchungen ist es dem Team um Christoph Scheurer vom Fritz-Haber-Institut gelungen, die Grenzschicht auf atomarem Niveau zu charakterisieren. Im Ergebnis tragen die ungeordneten Grenzschichten tatsächlich zur elektrochemischen Stabilisierung der Batterien bei, so die Max-Planck-Gesellschaft. Sie verhindern, dass Elektronen durch die Kristallkörner des Elektrolyten fließen und zu einem Kurzschluss führen, anstatt den Weg durch den äußeren Stromkreis zu nehmen und einen Motor anzutreiben.

Ziel: gezieltes Grenzflächen-Design für langlebige Batterien
Die Schmelzschicht kann nach Auffassung der Forschenden noch mehr leisten und die Bildung von Lithiumdendriten unterdrücken. Diese Gebilde entstehen, wenn in der Batterie Elektronen und Lithium-Ionen aufeinandertreffen und ein Kurzschluss entsteht, der die Batterie zerstört. „Die sich natürlich bildende, extrem dünne Schicht zwischen den Körnern in der Batterie ist eine Art Schutzummantelung, die genau das verhindert“, sagt Sina Stegmaier, Doktorandin an der TU München. Denn die Nanoschicht kann auch unerwünschte Elektronen einfangen, wie das Team aus seinen Untersuchungen folgert.

Diese Ergebnisse könnten die Gestaltung von Festkörperbatterien in naher Zukunft wesentlich beeinflussen. Gezieltes Grenzflächen-Design zur Ausbildung solcher Schutzummantelungen könnte ein vielversprechender Weg sein, um die nächste Generation sicherer Batterien langlebiger zu machen.

© IWR, 2021


Weitere Meldungen rund um die Batteriespeicher
Standort Salzgitter: VW und Quantum Scape planen Pilotanlage für Festkörperbatterien
Daimler und Volvo bekennen sich zur wasserstoffbasierten Brennstoffzelle
TU Graz will Festkörperbatterien mehr Power geben
Materialsuche: Forschung an Festkörper-Batterien mit Kupfersulfid
E-Mobilität: Daimler überrascht mit innovativen Festkörperbatterien
Fraunhofer IKTS bündelt grüne Batterieforschung in Freiberg
Batteriemarkt in Deutschland wächst 2019 stark - Zukunft der Festkörper-Batterie
Hochschule Landshut forscht an Batterien der nächsten Generation
Siemens AG sucht S7-Programmierer (w/m/d) mit PCS 7 Kenntnissen für internationale Projekte
Siemens AG sucht S7-Programmierer (w/m/d) mit PCS 7 Kenntnissen für internationale Projekte
Energie-Geschäftsreise Kap Verden "Energieeffizienz & Erneuerbare Energien in Gebäuden"
Newsticker Energiespeicher auf www.energiefirmen.de
Energiespeicher - Forschungs-Newsticker

15.06.2021

 



Jobs & Karriere - Energiejobs.de
Veranstaltungen - Energiekalender.de

Pressemappen - mit Original-Pressemitteilungen