Historisch gesehen war die Lebensdauer von Batterien ein Problem für die Energiewende und die Elektrifizierung des Verkehrs. Denn mit der steigenden Nachfrage nach langlebigeren, sichereren und effizienteren Batterien werden die Grenzen der heutigen Materialien immer deutlicher.
In diesem Zusammenhang konzentriert sich die wissenschaftliche Forschung auf die Lösung von Problemen, die auf mikroskopischer Ebene auftreten. Instabile Schnittstellen, unerwünschte Reaktionen und ein allmählicher Kapazitätsverlust bestimmen die Lebensdauer dieser Batterien, selbst bei so vielversprechenden Technologien wie Festkörperbatterien.
Wie konnten deutsche Wissenschaftler die Lebensdauer von Batterien verlängern?
Eine internationale Gruppe unter der Leitung Deutschlands hat ein Material entdeckt, das die Lebensdauer von Festkörperbatterien erheblich verlängern kann. Die Arbeit wurde unter der Leitung von Professor Francesco Chucci von der Universität Bayreuth durchgeführt und in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Die Forschung konzentrierte sich auf den Kontakt zwischen dem Festelektrolyten und der Elektrode aus metallischem Lithium. An diesem kritischen Punkt neigen die Atome beider Materialien dazu, miteinander zu reagieren und Verbindungen zu bilden, die den Durchgang von Lithiumionen blockieren. Dieser zunehmende Widerstand verringert die Kapazität der Batterie und beschleunigt ihren Verschleiß.
Um dieses Problem zu vermeiden, untersuchten die Forscher die Möglichkeit, eine ultradünne Zwischenschicht hinzuzufügen, die beide Materialien trennen sollte, ohne den Ionentransport zu behindern. Das Ziel war klar:die Schnittstelle zu stabilisieren und die Lebensdauer der Batterien zu verlängern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Das Team verwendete ein leistungsstarkes Computer-Screening-System. Mit dieser Methode konnten mehr als 20.000 Verbindungen aus dem „Materials Project” analysiert werden, einer öffentlich zugänglichen Datenbank, in der die berechneten Eigenschaften von Materialien gesammelt sind.
Die Filterung basierte auf mehreren technischen Kriterien:
- Thermodynamische Stabilität, um eine vorzeitige Zersetzung zu vermeiden.
- Chemische Kompatibilität mit beiden Seiten der Batterie.
- Fähigkeit, selbstlimitierende Reaktionen zu erzeugen, die sich bei der Verwendung nicht entwickeln.
Dieser Ansatz reduzierte Tausende von Optionen auf einen einzigen herausragenden Kandidaten. Durch diesen Prozess konnten monatelange unnötige experimentelle Tests vermieden und die Ressourcen auf ein Material konzentriert werden, das tatsächlich in der Lage ist, die Lebensdauer von Batterien zu verlängern.
Welches Material kann die Lebensdauer von Batterien verlängern?
Die Wahl fiel auf Lithiumoxychlorid, bekannt als Li3OCl. Dieses Material gehört zur Familie der Antipervskite, kristalline Strukturen, die Lithiumionen effektiv leiten und eine hohe chemische Stabilität aufweisen.
Im Rahmen der Tests wurde Li3OCl zusammen mit dem festen Halogenidelektrolyten Li3InCl6 als Zwischenschicht verwendet. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Unterschied zu unmodifizierten Batterien.
Die geschützten Zellen behielten nach 1000 Lade- und Entladezyklen 76 % ihrer Kapazität, verglichen mit nur 5 % bei herkömmlichen Systemen.
Selbst unter Schnellladebedingungen durchliefen die Batterien mit dieser Zwischenschicht mehr als 1600 Zyklen ohne plötzliche Ausfälle. Diese Daten machen Li3OCl zu einem entscheidenden Element für die Verlängerung der Lebensdauer von Batterien, die für intensive und lang andauernde Nutzung vorgesehen sind.
Was bedeutet diese Entdeckung für die Industrie und wie sieht die Zukunft der Batterien aus?
Die Verwendung von metallischem Lithium ist aufgrund seiner Fähigkeit, die Energiedichte zu erhöhen, für die Industrie nach wie vor attraktiv. Die Bildung von Dendriten und chemische Instabilität haben jedoch seine kommerzielle Einführung eingeschränkt. Festkörperbatterien verringern die Risiken, sind aber nach wie vor auf zuverlässige Schnittstellen angewiesen.
Die Li3OCl-Schicht wirkt als elektronische Barriere, die Ionen durchlässt und schädliche Reaktionen blockiert.
Mit der Zeit bildet sie stabile Verbindungen wie Lithiumchlorid und Lithiumoxid, wodurch die Schnittstelle in einem stabilen Zustand fixiert und die Lebensdauer der Batterien verlängert wird.
Neben dem spezifischen Material betonen die Forscher den Wert des Auswahlverfahrens. Das Auswahlsystem kann an andere Festelektrolyte angepasst werden, was den Weg für die Verbesserung verschiedener chemischer Zusammensetzungen von Batterien ebnet.
Dennoch bleiben einige Probleme ungelöst: industrielle Skalierung, Produktionskosten und langfristiges Verhalten unter realen Bedingungen.
Dieser Durchbruch ist kein Endprodukt, sondern ein reproduzierbares Rezept. Wenn die Industrie diese Zwischenschichten effektiv integrieren kann, könnte die Lebensdauer der Batterien kein Haupthindernis mehr für die endgültige Verbreitung von Festkörperbatterien sein.
