Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Energiereiche Festkörperbatterie: Hohe Energiedichte mit Lithium-Anode und Hybridelektrolyt

27.02.2019

Copyright: Forschungszentrum Jülich / T.Schlößer

Noch im Laborstadium: Komponenten der Lithium-Festkörperbatterie mit Hybridelektrolyt

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universität Münster haben eine neue Festkörperbatterie vorgestellt, die über eine Anode aus reinem Lithium verfügt. Lithium gilt als ideales Elektrodenmaterial, mit dem sich die höchsten Energiedichten erreichen lassen. Das Metall ist sehr reaktiv, was einer Verwendung als Anode bisher entgegenstand. Möglich wurde der Einsatz jetzt durch zwei zusätzliche Lagen aus einem neuartigen Polymer. Diese schützen den keramischen Elektrolyten der Batterie und verhindern, dass sich das Metall auf zerstörerische Weise ablagert. In Labortests funktionierte das so gut, dass die Zellen über Hunderte Ladezyklen kaum an Kapazität verloren.

Feststoffbatterien gelten als großes Versprechen für die Zukunft. Die Technologie könnte der Elektromobilität, aber auch Nischenanwendungen in der Medizin- und Raumfahrttechnik zu neuen Durchbrüchen verhelfen. Festkörperakkus enthalten keine Flüssigkeiten, die auslaufen oder in Brand geraten können. Aus dem Grund gelten sie als deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt. Gleichzeitig besitzen Festkörperbatterien das Potenzial, mehr Energie auf demselben Raum bei geringerem Gewicht zu speichern.

„Ziel war es, unser Konzept für eine Festkörperbatterie so zu erweitern, dass der stabile Betrieb mit einer Lithium-Anode möglich wird, und das haben wir geschafft“, erklärt Dr. Hermann Tempel vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Lithium als Anode gilt als Material der Wahl, wenn es darum geht, möglichst hohe Energiedichten zu erzielen. Denn das leichteste Metall ist gleichzeitig auch das elektronegativste aller chemischen Elemente.

Die neue Festkörperbatterie kommt bezogen auf beide Elektroden auf eine Energiedichte von 460 Wh/kg. Im Vergleich mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien ist das ein sehr guter Wert. Hinzu kommen weitere Vorteile, die die Bauweise mit sich bringt. So sind Festkörperbatterien deutlich weniger temperaturempfindlich als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt. Daher benötigen sie keine Vorrichtungen für das Temperaturmanagement, wie sie bislang in Elektroautos verbaut werden, was zusätzlich Gewicht einsparen dürfte.

Möglich wurde die Verwendung einer Anode aus reinem Lithium durch den Einbau einer Polymerfolie zwischen Anode und Elektrolyt. Reines Lithium neigt dazu, beim Laden unkontrollierte Auswüchse auszubilden. Diese sogenannten Dendriten können die Zelle kurzschließen oder sie mechanisch zerstören. In der Anode heutiger Lithium-Ionen-Akkus werden Lithium-Atome daher in einem Speichermedium, meist Graphit, eingelagert. Das Gewicht der Elektrode und der gesamten Batterie erhöht sich dadurch um ein Vielfaches.

„Das Polymer funktioniert wie eine Schutzschicht, die die Verwendung einer Lithium-Anode überhaupt erst möglich macht“, erklärt Hermann Tempel. „Sie verhindert, dass der keramische Elektrolyt in direkten Kontakt mit dem metallischen Lithium an der Anode kommt. So werden schädliche Prozesse wie die Dendritenbildung und chemische Veränderungen des keramischen Elektrolyten unterbunden, die die Funktion der Batterie beeinträchtigen.“ Erste Tests im Labor verliefen bereits sehr erfolgreich. Über 500 Lade- und Entladezyklen hinweg ließen sich kaum Performanceeinbußen feststellen.

„Das Besondere an der Zelle ist, dass sie trotz der moderat leitenden Polymere funktioniert; in mancher Hinsicht sogar besser als ohne“, konstatiert Professor Hans-Dieter Wiemhöfer vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS), der das spezielle Polymer, das zu der Klasse der Polyphosphazene zählt, entwickelt hat. Er koordiniert das BMBF-Verbundprojekt MEET-HiEnD II, aus dem die neue Batterie hervorgegangen ist.

Die Polymerschicht bei der Herstellung wird flüssig aufgetragen und dringt tief in den porösen keramischen Elektrolyten ein. Das verbessert den Kontakt zwischen dem festen Elektrolyt und der festen Elektrode, bei Festkörperakkus ein häufiges Problem. So wird kein stabiles und entsprechend schweres Gehäuse benötigt, das die verschiedenen Komponenten mechanisch zusammenpresst und dadurch für eine gute Verbindung sorgt. Das spart ebenfalls Gewicht und trägt dazu bei, die Energiedichte zu erhöhen.

Doppelte Energiedichte, längere Ladezeit

Als zusätzliche Barriere zwischen den einzelnen Komponenten wirken sich die Polymerschichten jedoch auch nachteilig auf die Performance der Batterie aus, insbesondere auf den Stromfluss. Im letzten Jahr hatten Jülicher Wissenschaftler eine gut funktionierende, schnellladefähige Festkörperbatterie vorgestellt, die innerhalb einer halben Stunde ge- und entladen werden kann. Mittels Lithium-Anode und Hybridelektrolyt ist es ihnen nun zwar gelungen, die theoretische Energiedichte zu verdoppeln. Die Ladezeit verlängerte sich dadurch jedoch auf zwei Stunden. Für Festkörperbatterien ist das immer noch ein guter Wert.

Auch andere Aspekte zeigen: Die Batterie ist noch in einem frühen Entwicklungsstadium und nur begrenzt reif für die Praxis. So muss die Zelle im Betrieb momentan auf einer Mindesttemperatur von 50 Grad Celsius gehalten werden, damit der hybride Elektrolyt für Ladungsträger durchlässig bleibt. „Für niedrigpreisige Anwendungen ist das Herstellungsverfahren bis jetzt auch noch zu aufwendig. Die funktionierende Zelle zeigt aber, dass es der Hybridelektrolyt ermöglicht, typische Probleme an den Grenzflächen von Festkörperbatterien zu umgehen“, erklärt Professor Rüdiger-A. Eichel, Institutsleiter am Forschungszentrum Jülich (IEK-9). Für Nischenanwendungen, bei denen Kosten eine nicht so große Rolle spielen, ist die inhärent sichere Batterie mit der hohen Energiedichte möglicherweise jetzt schon interessant. „Aber auch für kostenkritische Anwendungen wie die Elektromobilität birgt der Ansatz großes Potenzial.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Anoden
  • Anodenmaterial
  • Elektromobilität
  • Festelektrolyte
  • Feststoffbatterien
Mehr über Forschungszentrum Jülich
  • News

    Hightech-Werkstoff im Salzmantel

    MAX-Phasen gelten als Material der Zukunft, beispielsweise für Turbinen in Kraftwerken und Flugzeugen, Raumfahrtanwendungen oder medizinische Implantate. Ein neues Verfahren von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich macht es nun erstmals möglich, die begehrte Werkstoffklasse im ind ... mehr

    Hochtemperatur-Brennstoffzelle erreicht mehr als 11 Jahre Lebensdauer

    Die 100.000 Stunden Lebensdauer hatten sie noch abgewartet, dann leiteten Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich vor einigen Tagen schrittweise das Ende ihres Langzeitversuchs ein. Mehr als elf Jahre lang hatten sie eine von ihnen entwickelte Brennstoffzelle bei einer Temperatur von 7 ... mehr

    Neue Erkenntnisse zur Aerosolbildung in der Atmosphäre

    Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der Universitäten von Manchester und Göteborg sowie weitere internationale Forscher haben eine wichtige Entdeckung im genauen Verständnis der Aerosolbildung und damit auch der Feinstaubbelastung in der Atmosphäre gemacht. Die Klimaforscher verf ... mehr

  • Videos

    Zukunft ist unsere Aufgabe: Das Forschungszentrum Jülich

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung in den Bereichen Energie und Umwelt sowie Information und Gehirn. Es stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt Schlüsseltechnologien für morgen. mehr

    Die (R)Evolution der Elektronenmikroskopie - So funktioniert PICO

    Das Elektronenmikroskop PICO erreicht eine Rekordauflösung von 50 Milliardstel Millimetern. Es ermöglicht Anwendern aus Wissenschaft und Industrie, atomare Strukturen in größtmöglicher Genauigkeit zu untersuchen und Fortschritte in Bereichen wie der Energieforschung oder den Informationstec ... mehr

  • Firmen

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Forschungsförderung im Auftrage der Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Wirtschaft (BMWA), Umwelt (BMU) sowie verschiedener Bundesländer. mehr

  • Forschungsinstitute

    Forschungszentrum Jülich GmbH

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie & Umwelt sowie Informationstechnologie. Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jül ... mehr

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Erfolgreiche Wissenschaft braucht mehr als gute Forschung. Damit öffentliche Förderprogramme ihre Ziele erreichen, Industriepartner und Forschungseinrichtungen gewinnbringend zusammenarbeiten und Forscher über Fördermöglichkeiten in ihrem Arbeitsfeld gut informiert sind, ist Sachverstand im ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

Mehr über WWU Münster
  • News

    Mit mechanischer Kraft Biomasse umwandeln

    Eine der größten globalen Herausforderungen ist es derzeit, erneuerbare Quellen effizient einzusetzen, um in Zukunft den steigenden Bedarf an Energie und Chemikalien abzudecken. Biomasse ist dabei eine vielversprechende Alternative zu den bisherigen fossilen Quellen wie Kohle oder Erdöl. De ... mehr

    Neue Synthesemethode zur Herstellung fluorierter Piperidine

    Synthetisch hergestellte Moleküle sind für viele Produkte des menschlichen Lebens essentiell: Medikamente, Pflanzenschutzmittel oder besondere Materialien wie Teflon. Die Moleküle setzen sich dabei aus mehreren Bausteinen zusammen, die auf verschiedene Art kombiniert werden können und die z ... mehr

    Chemiker stellen neuen Reaktionsweg vor

    Wissenschaftler um Prof. Dr. Frank Glorius und Michael Teders von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und Prof. Dr. Dirk Guldi von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben einen neuen chemischen Reaktionsweg vorgestellt, der für die Forschung und fü ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Westfaelische Wilhelms-Universität Münster (WWU), Institut für Anorganische und Analytische Chemie

    mehr

  • Universitäten

    Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU)

    Die Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) hat in den Geistes- und Sozialwissenschaften, der Mathematik, den Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften sowie Wirtschafts- und Rechtswissenschaften ein starkes Forschungsprofil entwickelt. Sie fördert gezielt die Spitzenforschung und d ... mehr

  • q&more Artikel

    Alternativen zum Tierversuch?

    Die Aufklärung des Metabolismus potenzieller neuer Wirkstoffe ist eine der großen Herausforderungen in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung. Sie ist in der Regel sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Klassische Ansätze basieren dabei im Wesentlichen auf In-vivo-Experimenten mit L ... mehr

    Ausdrucksstark

    Biologische Moleküle an Oberflächen zu koppeln und in dieser Form für Messverfahren, zur Analytik oder in Produktionsprozessen einzusetzen, ist ein innovativer Ansatz, der in industriellen Anwendungen zunehmend Bedeutung gewinnt. In gängigen Verfahren werden Oberflächen und biologische Mole ... mehr

  • Autoren

    Dr. Martin Vogel

    Martin Vogel, geb. 1973, hat Chemie studiert und an der Universität Münster in analytischer Chemie promoviert. Nach seiner Promotion ging er für einige Jahre an die Universität Twente in Enschede (Niederlande). Seit 2006 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Anorganische und ... mehr

    Prof. Dr. Joachim Jose

    Joachim Jose, geb. 1961, studierte Biologie an der Universität Saarbrücken, wo er promovierte. Die Habilitation erfolgte am Institut für Pharma­zeutische und Medizinische Chemie der Universität des Saarlandes. Von 2004 bis 2011 war Professor für Bioanalytik (C3) an der Heinrich-Heine-Univer ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.