Festkörperbatterien sind effizienter, sicherer und laden schneller als herkömmliche Lithiumionen-Batterien. Dem Paul Scherrer Institut (PSI) gelang der Durchbruch mit einem neuen Verfahren für stabile und langlebige Festkörperbatterien.
Akkus der nächsten Festkörpergeneration sind eine vielversprechende Lösung für Elektromobilität, mobile Elektronik und stationäre Energiespeicherung. Sie sind sicherer, da sie keine brennbaren flüssigen Elektrolyte benötigen. Kritisch ist aber noch die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode, die den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden durchdringen. Wenn sie sich Richtung Kathode ausbreiten, können sie interne Kurzschlüsse verursachen.
Weiter besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt. Das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am Paul Scherrer Institut PSI, entwickelte ein neues Fertigungsverfahren: «Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren», so der Wissenschaftler.
Das Problem mit der Verdichtung
Im Mittelpunkt der PSI-Studie steht der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl (LPSCl), ein sulfidbasierter Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel. Dieses stark leitfähige Mineral ermöglicht einen schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie. Das macht Argyrodit-basierte Elektrolyten zu vielversprechenden Kandidaten für Festkörperbatterien. Das Material konnte aber bisher nicht ausreichend verdichtet werden, sodass keine Hohlräume entstehen, in die Lithiumdendriten eindringen können.
Bisher wurde das Material bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck oder im Heisspressverfahren unter Druck mit Temperaturen von über 400 Grad Celsius verdichtet. Beim zweiten Prozess (Sintern) werden die Partikel durch die Anwendung von Wärme und Druck zu einer dichteren Struktur verschmolzen.
Das Pressen bei Raumtemperatur führt zu einer porösen Mikrostruktur und übermässigem Kornwachstum. Beim Hochtemperaturverfahren besteht das Risiko, dass der Festelektrolyt zersetzt wird. Um einen robusten Elektrolyten und eine stabile Grenzfläche zu erhalten, mussten die PSI-Forschenden daher einen neuen Ansatz verfolgen.
Der Temperatur-Trick
Um das Ziel eines robusten Festelektrolyten zu erreichen, wandten die Forscher eine neue Methode an. Um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, wurde das Mineral unter mässigem Druck und bei moderater Temperatur von nur etwa 80 Grad Celsius gepresst. Bei diesem Verfahren ordneten sich die Partikel wie gewünscht an, ohne die chemische Stabilität des Materials zu verändern. Die Partikel im Mineral gingen enge Bindungen miteinander ein, poröse Stellen wurden kompakter und kleine Hohlräume schlossen sich. Die kompakte und dichte Mikrostruktur verhindert das Eindringen von Lithium-Dendriten.
In dieser Form ist der Festelektrolyt bereits bestens für einen schnellen Lithiumionen-Transport geeignet. Diese sanfte Sinterung ist aber noch nicht zuverlässig genug für ein schnelles Laden und Entladen. Die nächste Verbesserung ist eine 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid (LiF). Sie wird unter Vakuum verdampft und gleichmässig als ultradünner Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen. Sie dient als Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt.
Diese Zwischenschicht erfüllt eine doppelte Funktion. Sie verhindert die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt so die Bildung von «totem», inaktivem Lithium. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.
Bestwerte nach 1’500 Durchgängen
Unter anspruchsvollen Bedingungen zeigte eine Knopfzelle eine bemerkenswerte Leistung bei hoher Spannung. Nach 1’500 Lade- und Entladevorgängen hatte die Zelle noch etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden. Es besteht also die realistische Chance, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten.
Mit dieser Forschung wurde gezeigt, dass die Kombination aus mildem Sintern des Festelektrolyten und einer dünnen Passivierungsschicht auf der Lithium-Anode sowohl die Dendritenbildung als auch die Grenzflächeninstabilität wirksam unterdrückt werden können.
Wegen der niedrigen Temperaturen spart der Prozess Energie und Kosten und ist damit auch ökologisch und wirtschaftlich vorteilhaft.
