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Batterien, die weder auslaufen noch brennen

Harte Schale, harter Kern

19.06.2017

Empa

Flüssige Lithium-Ionen-Akkus bergen Gefahren. Sie können Auslaufen oder sich bei Überhitzung rasch entzünden. So genannte Festkörper-Lithium-Ionen-Akkus sind eine Möglichkeit, diese Gefahren zu mindern. Allerding sind diese Batterien punkto Leistungsfähigkeit (noch) nicht auf dem Niveau ihrer flüssigen Pendants. Nun aber haben Forschende der Empa einen Festkörper-Elektrolyten entwickelt, der mit flüssigen Elektrolyten mithalten kann.

Die Ansprüche an einen Elektrolyten sind hoch: Er muss leitfähig sein, eine hohe Spannung aushalten und über eine längere Zeit elektrochemisch und thermisch stabil bleiben. Das gilt für Flüssigelektrolyte wie für Festkörperelektrolyte. Letztere gibt es zwar bereits auf dem Markt, allerdings noch nicht als Massenprodukte – und das, obwohl sie als sicherer gelten als ihr flüssiges Äquivalent. Denn sie haben einen gravierenden Nachteil: Sie erreichen noch nicht dieselbe hohe Leitfähigkeit wie Flüssigelektrolyte.

Bis vor kurzem zumindest. Einem Empa-Forscherteam rund um Arndt Remhof aus der Abteilung «Materials for Energy Conversion» ist es nämlich vor kurzem gelungen, einen Festkörperelektrolyten zu entwickeln, der eine ähnlich hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Als Material nutzte die Gruppe Amid-Borohydrid – ein komplexes Hydrid, das neben Oxiden und Thiophosphaten in Festkörperelektrolyten verwendet wird. «Damit konnten wir die Materialklasse der komplexen Hydride auf ein neues Level heben», erklärt Remhof nicht ohne Stolz. Das bedeutet: Die Leitfähigkeit des an der Empa entwickelten Festkörperelektrolyten ist bei Raumtemperatur vergleichbar mit einem Flüssigelektrolyten. Auch ist der neuartige Festkörper-Elektrolyt selbst bei Temperaturen von bis zu 150 Grad Celsius stabil – Flüssigelektrolyten wären bei derart hohen Temperaturen ein Sicherheitsrisiko.

Höhere Spannungen aushalten

Noch steckt das Projekt allerdings in den Kinderschuhen und hat mit einigen Schwierigkeiten zu kämpfen. So hält das Borohydrid bislang erst eine Spannung von gut einem Volt stand. Das ist zu wenig für eine markttaugliche Batterie. Um dieses Problem anzugehen sind die Forschenden nun dabei, alternative Borverbindungen zu entwickeln – und haben damit auch bereits eine Spannung von drei Volt erzielt. Somit sind die ersten Schritte getan, um zukünftig die flüssigen Lithium-Ionen-Batterien durch Festkörper-Akkus zu ersetzen, wie die Forschenden im kürzlich erschienen Paper des Magazins Advanced Energy Materials bekannt gaben.

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