Neue Lithium-Ionen-Batterie hat die Vorteile eines Feststoffakkus

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien stoßen mittlerweile oft an ihre technischen Grenzen. Feststoffakkus sind hingegen vielversprechend, aber oft noch nicht marktreif. Japanische Forscher haben deshalb versucht, das Beste aus diesen beiden Welten miteinander zu verbinden. 

Das ist ihnen auch gelungen, wie sie einem Fachartikel im Journal of Energy Storage erklären. Demnach haben die Wissenschafter der Doshisha University gemeinsam mit der TDK Corporation so genannte Quasi-Solid-State-Batterien entwickelt. 

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Kombination aus festen und flüssigen Stoffen

Dabei handelt es sich um eine Mischform, bei der sowohl auf flüssigen Elektrolyten als auch auf festen Elektrolyten zurückgegriffen wird. Das führt dazu, dass diese Quasi-Feststoffakkus nicht entflammbar sind und gleichzeitig eine hohe Energiedichte und Langlebigkeit aufweisen. 

"Die von uns entwickelte, nicht-entflammbare Quasi-Festkörperbatterie, die einen flüssigen und einen festen Elektrolyten kombiniert, bietet eine sicherere und haltbarere Alternative zu reinen Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte", wird der leitende Forscher Ryosuke Kido in einer Aussendung zitiert. 

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Vielversprechende Entwicklung

Die negative Elektrode (Kathode) der neuen Batterie besteht aus Silizium (Si). Die positive Elektrode (Anode) setzt sich aus einem Material aus Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden (NCM811) zusammen. Getrennt werden die Elektroden durch einen Separator aus Keramik.

An Anode und Kathode wurden spezielle Materialien platziert, die schwer entflammbar und für die jeweilige Zusammensetzung der Elektroden maßgeschneidert sind. In Testversuchen zeigten die Quasi-Feststoffbatterien eine hervorragende Ionenleitfähigkeit, thermische Stabilität und elektrochemische Leistung.

Neben den Quasi-Solid-State-Batterien gibt es noch Semi-Solid-State-Batterien, die als eine Art Brückentechnologie angesehen werden. Bei den Semi-Feststoffbatterien kommen feste Elektrolytmaterialien zum Einsatz, die mit einer reduzierten Menge an flüssigem Elektrolyten versetzt sind.

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Probleme von reinen Feststoffakkus

All-Solid-State-Batterien, bei denen der Elektrolyt ausschließlich aus festen Stoffen besteht, haben den Vorteil, dass sie eine höhere Energiedichte erreichen können. Der feste Elektrolyt kann nicht austreten, wodurch das Entzündungsrisiko entscheidend verringert wird. 

Problematisch ist jedoch die so genannte Atmung der Anode. Die Lithium-Metall-Anoden dehnen sich während des Lade- und Entladezyklus aus, was zu Änderungen beim Volumen führt. Vor allem bei Feststoffakkus muss das durch flexible Konstruktionen berücksichtig werden.

Lebensdauer noch gering

Eine weitere Herausforderung bei All-Solid-State-Akkus ist die geringe Lebensdauer. Durch chemische Reaktionen zwischen dem festen Elektrolyten und den Elektroden beim Be- und Entladen kommt es relativ rasch zu einem Kontaktverlust zwischen Partikeln und der Bildung von so genannten Dendriten. 

Dabei handelt es sich um wachsende Lithiumfasern zwischen den Elektroden. Durchlöchern die wachsenden Dendriten den Separator, der die Elektroden trennt, kommt es zu einem Kurzschluss. 

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien bergen das Risiko, dass sie sich bei einem Unfall entzünden und es zu einem so genannten Thermal Runaway kommt. Außerdem geraten sie bei Energiedichte und Ladeleistung oft bereits an die Grenzen des Machbaren.