{"id":166410,"date":"2019-02-27T07:00:27","date_gmt":"2019-02-27T06:00:27","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=166410"},"modified":"2019-02-27T07:00:27","modified_gmt":"2019-02-27T06:00:27","slug":"festkoerperbatterie-mit-hoher-energiedichte-dank-lithium-anode","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/festkoerperbatterie-mit-hoher-energiedichte-dank-lithium-anode\/","title":{"rendered":"Festk\u00f6rperbatterie mit hoher Energiedichte dank Lithium-Anode"},"content":{"rendered":"

Wissenschaftler des Forschungszentrums J\u00fclich<\/a> und der Westf\u00e4lischen Wilhelms-Universit\u00e4t M\u00fcnster<\/a>\u00a0entwickelten eine neue Festk\u00f6rperbatterie. Das Besondere: Sie verf\u00fcgt \u00fcber eine Anode aus reinem Lithium. Das Alkalimetall gilt als ideales Elektrodenmaterial, da sich mit ihm die h\u00f6chsten Energiedichten erreichen lassen. Doch da das Metall sehr reaktiv ist, wurde es bisher nicht als Anode verwendet. Die Forschenden tricksten diese Eigenschaft jedoch durch den Einsatz von zwei zus\u00e4tzlichen Lagen aus einem neuartigen Polymer aus. Diese sch\u00fctzen den keramischen Elektrolyten der Batterie und verhindern somit, dass sich das Metall auf zerst\u00f6rerische Weise ablagert. In Labortests waren \u00fcber Hunderte von Ladezyklen m\u00f6glich, ohne dass die Zellen deutlich an Kapazit\u00e4t verloren.<\/p>\n

Bedeutende Zukunft erwartet<\/h3>\n

Feststoffbatterien gelten \u00fcbrigens als eine bedeutende Entwicklung f\u00fcr die Zukunft. Ihr besonderer Vorteil: Festk\u00f6rperakkus enthalten keine Fl\u00fcssigkeiten, die auslaufen oder in Brand geraten k\u00f6nnen. Aus dem Grund sind sie deutlich sicherer, zuverl\u00e4ssiger und langlebiger als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien mit fl\u00fcssigem Elektrolyt. Gleichzeitig besitzen Festk\u00f6rperbatterien das Potenzial, mehr Energie auf demselben Raum bei geringerem Gewicht zu speichern. Entsprechend wird erwartet, dass diese Technologie verschiedenen Bereichen zum Durchbruch verhelfen k\u00f6nnte. M\u00f6gliche Einsatzszenarien sind die Elektromobilit\u00e4t, aber auch Nischenanwendungen in der Medizin- sowie Raumfahrttechnik sind denkbar.<\/p>\n

\u201eZiel war es, unser Konzept f\u00fcr eine Festk\u00f6rperbatterie so zu erweitern, dass der stabile Betrieb mit einer Lithium-Anode m\u00f6glich wird, und das haben wir geschafft\u201c, freut sich Dr. Hermann Tempel vom J\u00fclicher Institut f\u00fcr Energie- und Klimaforschung (IEK-9) \u00fcber die aktuellen Ergebnisse. Lithium als Anode gilt als Material der Wahl, wenn es darum geht, m\u00f6glichst hohe Energiedichten zu erzielen. Denn das leichteste Metall ist gleichzeitig auch das elektronegativste aller chemischen Elemente.<\/p>\n

Die neue Festk\u00f6rperbatterie kommt bezogen auf beide Elektroden auf eine Energiedichte von 460 Wh\/kg. Im Vergleich mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien ist das ein sehr guter Wert. Hinzu kommen weitere Vorteile, die die Bauweise mit sich bringt. So sind Festk\u00f6rperbatterien deutlich weniger temperaturempfindlich als herk\u00f6mmliche Lithium-Ionen-Batterien mit Fl\u00fcssigelektrolyt. Daher ben\u00f6tigen sie keine Vorrichtungen f\u00fcr das Temperaturmanagement, wie sie bislang in Elektroautos verbaut werden, was zus\u00e4tzlich Gewicht einsparen d\u00fcrfte.<\/p>\n

Polymerfolie als Schutzschicht<\/h3>\n
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Aufbau einer Festk\u00f6rperbatterie mit Hybridelektrolyt \u00a9S. Yu et al., J. Mater. Chem. A, 2019, Advance Article, DOI: 10.1039\/C8TA11259B with slight modification (CC BY 3.0)<\/figcaption><\/figure>\n

M\u00f6glich wurde die Verwendung einer Anode aus reinem Lithium durch den Einbau einer Polymerfolie zwischen Anode und Elektrolyt. Reines Lithium neigt dazu, beim Laden unkontrollierte Ausw\u00fcchse auszubilden. Diese sogenannten Dendriten k\u00f6nnen die Zelle kurzschlie\u00dfen oder sie mechanisch zerst\u00f6ren. In der Anode heutiger Lithium-Ionen-Akkus werden Lithium-Atome daher in einem Speichermedium, meist Graphit, eingelagert. Das Gewicht der Elektrode und der gesamten Batterie erh\u00f6ht sich dadurch um ein Vielfaches.<\/p>\n

“Das Polymer funktioniert wie eine Schutzschicht, die die Verwendung einer Lithium-Anode \u00fcberhaupt erst m\u00f6glich macht\u201c, erkl\u00e4rt Tempel. \u201eSie verhindert, dass der keramische Elektrolyt in direkten Kontakt mit dem metallischen Lithium an der Anode kommt. So werden sch\u00e4dliche Prozesse wie die Dendritenbildung und chemische Ver\u00e4nderungen des keramischen Elektrolyten unterbunden, die die Funktion der Batterie beeintr\u00e4chtigen.\u201c Erste Tests im Labor verliefen bereits sehr erfolgreich. \u00dcber 500 Lade- und Entladezyklen hinweg lie\u00dfen sich kaum Performanceeinbu\u00dfen feststellen.<\/p>\n

\u201eDas Besondere an der Zelle ist, dass sie trotz der moderat leitenden Polymere funktioniert; in mancher Hinsicht sogar besser als ohne\u201c, konstatiert Professor Hans-Dieter Wiemh\u00f6fer vom Helmholtz-Institut M\u00fcnster (HI MS), der das spezielle Polymer, das zu der Klasse der Polyphosphazene z\u00e4hlt, entwickelt hat. Wiemh\u00f6fer koordiniert das BMBF-Verbundprojekt MEET-HiEnD II<\/a>, aus dem die neue Batterie hervorgegangen ist.<\/p>\n

Die Polymerschicht wird bei der Herstellung fl\u00fcssig aufgetragen. Sie dringt dabei tief in den por\u00f6sen keramischen Elektrolyten ein. Das verbessert den Kontakt zwischen dem festen Elektrolyt und der festen Elektrode – bei Festk\u00f6rperakkus ein h\u00e4ufiges Problem. Mit diesem Verfahren wird kein stabiles und entsprechend schweres Geh\u00e4use ben\u00f6tigt, das die verschiedenen Komponenten mechanisch zusammenpresst und dadurch f\u00fcr eine gute Verbindung sorgt. Das spart ebenfalls Gewicht und tr\u00e4gt dazu bei, die Energiedichte zu erh\u00f6hen.<\/p>\n

Doppelte Energiedichte aber l\u00e4ngere Ladezeit<\/h3>\n

Als zus\u00e4tzliche Barriere zwischen den einzelnen Komponenten wirken sich die Polymerschichten jedoch auch nachteilig auf die Performance der Batterie aus, insbesondere auf den Stromfluss. Im letzten Jahr hatten J\u00fclicher Wissenschaftler eine gut funktionierende, schnellladef\u00e4hige Festk\u00f6rperbatterie vorgestellt, die innerhalb einer halben Stunde ge- und entladen werden kann. Mittels Lithium-Anode und Hybridelektrolyt ist es ihnen nun zwar gelungen, die theoretische Energiedichte zu verdoppeln. Die Ladezeit verl\u00e4ngerte sich dadurch jedoch auf zwei Stunden. F\u00fcr Festk\u00f6rperbatterien ist das immer noch ein guter Wert.<\/p>\n

Auch andere Aspekte zeigen: Die Batterie ist noch in einem fr\u00fchen Entwicklungsstadium und nur begrenzt reif f\u00fcr die Praxis. So muss die Zelle im Betrieb momentan auf einer Mindesttemperatur von 50 Grad Celsius gehalten werden, damit der hybride Elektrolyt f\u00fcr Ladungstr\u00e4ger durchl\u00e4ssig bleibt. \u201eF\u00fcr niedrigpreisige Anwendungen ist das Herstellungsverfahren bis jetzt auch noch zu aufwendig. Die funktionierende Zelle zeigt aber, dass es der Hybridelektrolyt erm\u00f6glicht, typische Probleme an den Grenzfl\u00e4chen von Festk\u00f6rperbatterien zu umgehen\u201c, erkl\u00e4rt Professor R\u00fcdiger-A. Eichel, Institutsleiter am Forschungszentrum J\u00fclich (IEK-9). F\u00fcr Nischenanwendungen, bei denen Kosten eine nicht so gro\u00dfe Rolle spielen, ist die inh\u00e4rent sichere Batterie mit der hohen Energiedichte m\u00f6glicherweise jetzt schon interessant. \u201eAber auch f\u00fcr kostenkritische Anwendungen wie die Elektromobilit\u00e4t birgt der Ansatz gro\u00dfes Potenzial.\u201c<\/p>\n

Die Arbeit entstand im BMBF-Verbundprojekt MEET-HiEnD II, in dem die Westf\u00e4lische Wilhelms-Universit\u00e4t M\u00fcnster, das Forschungszentrum J\u00fclich und die RWTH Aachen zusammenarbeiten. Die Originalpublikation wurde in der Ausgabe 8\/2019 im Journal of Materials Chemistry A<\/a> ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n

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Bild oben: Die Komponenten der Lithium-Festk\u00f6rperbatterie mit Hybridelektrolyt noch im Laborstadium \u00a9Forschungszentrum J\u00fclich \/ T.Schl\u00f6\u00dfer<\/em><\/p>\n

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