Festes Elektrolyt macht Lithium-Ionen-Akku kältefest

Die Ladungen in einem Lithium-Ionen-Akku werden üblicherweise durch in einem flüssigen Elektrolyt gelöste Ionen transportiert. Das hat einige Nachteile. Solche Flüssigkeiten können etwa gefrieren oder auslaufen und die Akkus somit funktionsuntüchtig machen. Es gibt auch feste Elektrolyte, deren Leistungsdaten konnten bislang allerdings nicht mit gängigen Akkus mithalten. Japanischen Forschern ist es im Rahmen einer Kooperation zwischen Universitäten und dem Autobauer Toyota gelungen, vielversprechende Feststoff-Elektrolyte zu entwickeln, wie Ars Technica berichtet. Dabei handelt es sich um diverse kristalline Materialien, etwa aus Lithium, Silizium, Phosphor, Schwefel und Chlor. Die Ergebnisse wurden in Nature Energy veröffentlicht.

Diese kristallinen Strukturen sorgen dafür, dass Lithium-Ionen sich frei in den Materialien bewegen können. Üblicherweise bewegen sich die Ionen in den Materialien in energetisch günstigen Bahnen zwischen den Elektroden des Akkus. Durch die Beweglichkeit in alle Richtungen können die Ionen aber auch Störungen in der Struktur umgehen. Die resultierenden Prototypen haben je nach verwendetem Elektrolyt verschiedene Eigenschaften. So lassen sich etwa Batterien entwickeln, die in einem Temperaturbereich zwischen minus 30 und plus 100 Grad Celsius betriebstauglich sind und in etwa die Energiedichte handelsüblicher moderner Lithium-Ionen-Akkus haben. So könnten auch Probleme, wie der bei Kälte plötzlich leergesaugte Smartphone-Akku, behoben werden.

Schnell zu laden

Zudem lassen sich solche Akkus schneller be- und entladen als heutige Li-Io-Akkus. Im Labor konnte ein kompletter Be- und Entladungszyklus in sieben Minuten absolviert werden. Die Entladungsraten sind bei hohen Temperaturen sogar mit Superkondensatoren zu vergleichen. Das liegt daran, dass die Dichte an Lithium-Ionen pro Volumenseinheit des Elektrolyts bei Feststoffen deutlich höher ist als bei Flüssigkeiten. Dadurch entstehen allerdings auch Probleme, da die Elektroden die größere Menge an Ionen aufnehmen müssen, ohne dabei Schaden zu nehmen. Hier wollen die Forscher in Zukunft eine große Anzahl an Materialien testen, um die Akkus zu optimieren.

Die Haltbarkeit muss ebenfalls noch verbessert werden. Derzeit verlieren die Akkus bei der ersten Be- und Entladung rund 10 Prozent ihrer Kapazität, da es zu chemischen Reaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt kommt. Danach bauen sie relativ langsam ab. Nach 500 Zyklen haben sie noch 75 Prozent der ursprünglichen Leistungsfähigkeit. Dieser Wert muss für eine kommerzielle Vermarktung aber verbessert werden.