An der Empa wurde ein fester Elektrolyten entwickelt, der auf einem dehnbaren Polymer basiert. Das skalierbare Material ermöglicht bessere Feststoffbatterien oder flexible Akkus für medizinische Anwendungen.
Eine Batterie besteht aus einem Elektrolyten zwischen zwei unterschiedlich gepolten Elektroden. Bei einem festen Elektrolyten sind auch alternative Materialien für die Elektroden verwendbar. Festkörperbatterien können viel höhere Energiedichten erreichen und somit mehr Strom pro Volumen speichern. Diese Technologie ist noch nicht komplett ausgereift und muss deshalb optimiert werden. Empa-Forschende aus dem Labor für Funktionspolymere arbeiten an einem neuartigen und verbesserten Elektrolyten. Wo die meisten Elektrolyten für Feststoffbatterien aus steifen Werkstoffen bestehen, ist ihr fester Elektrolyt weich und dehnbar.
Ionenleiter auf Silikon-Basis
Hinter der Innovation steckt clevere Chemie. Das Ausgangspolymer für den Elektrolyten ist ein Polysiloxan (Silikon). Der elastische Kunststoff ist aber apolar und die geladenen Teilchen (Ionen) lösen sich in ihm auf. Den Forschenden um Dorina Opris gelang es, das «Rückgrat» des Polymers mit funktionalen Gruppen zu versehen. So entsteht ein guter Ionenleiter und die vorteilhaften elastischen Eigenschaften bleiben erhalten. Diese Elastizität ist der enorme Vorteil von Polymer-Elektrolyten.
«Mit reinem Lithiummetall als Anodenmaterial liessen sich höhere Energiedichten erreichen. Beim Entladen der Batterie «wandern» Lithiumionen aus der Anode ab, beim Laden kehren sie wieder zurück. Dabei lagern sie sich allerdings nicht in einer gleichmässigen Schicht an der Oberfläche der Anode ab, sondern bilden sogenannte Dendriten: baumartige Strukturen aus Lithium, die innerhalb von wenigen Ladezyklen bis zur Kathode «wachsen» und so einen Kurzschluss verursachen.»
Bei festen Elektrolyten hat man das Problem des Dendritenwachstum gelöst. Wenn die Ionen aus der Anode abwandern, entstehen aber Hohlräume und dadurch kann die Anode den Kontakt zum Elektrolyten verlieren. Dann sinkt die Kapazität der Batterie. Die elastische Lösung der Empa ist fest genug, um Dendriten zu verhindern und elastisch genug, um die Hohlräume zu füllen. Dadurch wird die Volumenveränderungen der Anode beim Laden und Entladen ausgeglichen.
Auf dem Weg zu flexiblen Batterien
«Heutige Batterien für medizinische Implantate, etwa für Herzschrittmacher, sind meist hart und unbequem für die Patientinnen und Patienten», erklärt Dorina Opris. «Unser Polymer kann nicht nur als Elektrolyt, sondern auch als Bindematerial für die Kathode dienen.» Empa-Forscher Can Zimmerli ergänzt: «Das flexible Polymer lässt sich mit unterschiedlichen Aktivmaterialien für die Kathode kombinieren, was Batterien für verschiedenste Anwendungen ermöglicht.»
Neben der Flexibilität und der Sicherheit bietet der innovative Elektrolyte noch weitere Vorteile. Das Material kann zu Dünnschichten von wenigen Mikrometern verarbeitet werden und es ist skalierbar. Zudem ist die industrielle Fertigung billiger als herkömmliche feste Polymer-Elektrolyten. Das nächste Ziel ist die Verbesserung der Ionenleitfähigkeit des Silikon-Elektrolyten. Dann braucht es nur noch den geeigneten Industriepartner, um diese Technologie zu kommerzialisieren.
