Robert Klatt
Eine neue Feststoffbatterie bildet keine Dendriten und hält deshalb 6.000 Ladezyklen und mehr aus. In Zukunft soll die Technik in Elektroautos verwendet werden.
Cambridge (U.S.A.). Wissenschaftler der Harvard University um Xin Li haben eine neue Feststoffbatterie auf Lithiumbasis entwickelt, die innerhalb von wenigen Minuten aufgeladen werden kann und über 6.000 Ladezyklen aushält. Laut der Publikation im Fachmagazin Nature Materials handelt es sich dabei um eine Pouchzelle (Beutelzelle), die typischerweise in Smartphones und anderen kleinen Geräten verwendet wird. Die Technik kann aber auch für Batterien, etwa für Elektroautos, verwendet werden.
„Lithium-Metall-Anodenbatterien gelten als der Heilige Gral der Batterien, da sie zehnmal die Kapazität kommerzieller Graphitanoden aufweisen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen drastisch erhöhen könnten. Unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt in Richtung praktischerer Festkörperbatterien für industrielle und kommerzielle Anwendungen.“
Ein zentrales Problem bei der Entwicklung von neuen Batterien ist die Bildung von Dendriten an der Anodenoberfläche. Dendriten sind ähnlich wie Zahnbelag und durchdringen die Elektrolyte. Dies kann zu Kurzschlüssen und Bränden führen. Sie entstehen durch ungleichmäßige Ablagerung von Lithium-Ionen während des Ladevorgangs. Bereits 2021 haben die Forscher der Harvard University einen Mehrschichtaufbau entwickelt, der die Bildung von Dendriten reduzieren kann.
Li und sein Team haben nun eine Methode entwickelt, die die Bildung von Dendriten komplett verhindern kann. Sie haben dazu mikrometergroße Siliziumpartikel in der Anode verwendet, die die Lithiation reduzieren und zu einer gleichmäßigen Oberfläche mit einer dicken Schicht aus Lithiummetall führen. Dies führt dazu, dass die Lithiation nur auf der Oberfläche der Siliziumpartikel stattfindet und sich ein um den Siliziumkern eine Schicht aus Lithiummetall bildet.
„In unserem Design wird das Lithiummetall um das Siliziumpartikel gewickelt, wie eine harte Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einer Praline.“
Durch diese Beschichtung entsteht eine gleichmäßige Oberfläche, die das Wachstum von Dendriten verhindert. Zudem ermöglicht diese gleichmäßige Oberfläche ein schnelles Aufladen und Entladen, wodurch die Batterie in nur zehn Minuten geladen werden kann.
Um die Technik zu prüfen, haben die Forscher eine briefmarkengroße Batterie gebaut, die deutlich größer ist als die üblichen Batterien in Universitätslaboren. Diese Batterie behielt nach 6.000 Ladezyklen 80 Prozent ihrer Kapazität, was auf dem Markt erhältliche Batterien deutlich übertrifft.
„Frühere Forschungen hatten ergeben, dass andere Materialien, einschließlich Silber, als gute Materialien für die Anode von Festkörperbatterien dienen könnten. Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrundeliegenden Mechanismus dieses Prozesses und bietet einen Weg zur Identifizierung neuer Materialien für das Batteriedesign.“
Inzwischen wurde die Technik an das Spin-off-Unternehmen Adden Energy lizensiert, das Li mit drei anderen Wissenschaftler der Harvard University gegründet hat. Das Unternehmen möchte die Technik weiterentwickeln und zur Marktreife bringen. Wann entsprechende Batterien für Smartphones, Elektroautos und Co. kommerziell angeboten werden können, ist aber noch offen.
Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-023-01722-x
