26.05.2020 - Chalmers University of Technology

Ein 'butterähnliches' Material könnte Festkörperbatterien stabiler machen

Streichfähige Zwischenschicht trägt dazu bei die Stromdichte um das 10-fache zu verbessern und gleichzeitig die Leistung und Sicherheit zu erhöhen

Festkörperbatterien sind für die Elektrofahrzeugindustrie von großem Interesse. Wissenschaftler der Chalmers University of Technology, Schweden, und der Xi'an Jiaotong University, China, stellen nun einen neuen Weg vor, um dieses vielversprechende Konzept der großtechnischen Anwendung näher zu bringen. Eine Zwischenschicht aus einem streichfähigen, "butterähnlichen" Material trägt dazu bei, die Stromdichte um das Zehnfache zu verbessern und gleichzeitig die Leistung und Sicherheit zu erhöhen.

"Diese Zwischenschicht macht die Batteriezelle wesentlich stabiler und damit in der Lage, einer viel höheren Stromdichte standzuhalten. Wichtig ist auch, dass es sehr einfach ist, die weiche Masse auf die Lithium-Metall-Anode in der Batterie aufzutragen - wie Butter auf ein Sandwich zu streichen", sagt der Forscher Shizhao Xiong vom Physikalischen Institut von Chalmers.

Zusammen mit Chalmers Professor Aleksandar Matic und der Forschungsgruppe von Professor Song in Xi'an arbeitet Shizhao Xiong seit langem an der Herstellung einer geeigneten Zwischenschicht zur Stabilisierung der Grenzfläche für Festkörperbatterien. Die neuen Ergebnisse wurden kürzlich in der angesehenen wissenschaftlichen Zeitschrift Advanced Functional Materials

Festkörperbatterien könnten den elektrischen Transport revolutionieren. Im Gegensatz zu den heutigen Lithium-Ionen-Batterien haben Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten und enthalten daher keine umweltschädlichen oder entflammbaren Flüssigkeiten.

Einfach ausgedrückt, eine Festkörperbatterie kann mit einem trockenen Sandwich verglichen werden. Eine Schicht des Metalls Lithium dient als Brotscheibe, und darauf wird eine keramische Substanz wie eine Füllung gelegt. Diese harte Substanz ist der Festelektrolyt der Batterie, der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden der Batterie transportiert. Aber das "Sandwich" ist so trocken, dass es schwierig ist, es zusammenzuhalten - und es gibt auch Probleme, die durch die Kompatibilität zwischen dem "Brot" und dem "Belag" verursacht werden. Viele Forscher auf der ganzen Welt arbeiten daran, geeignete Lösungen für dieses Problem zu entwickeln.

Das Material, mit dem die Forscher in Göteborg und Xi'an jetzt arbeiten, ist eine weiche, streichfähige, "butterähnliche" Substanz, die aus Nanopartikeln des keramischen Elektrolyten LAGP besteht, die mit einer ionischen Flüssigkeit vermischt sind. Die Flüssigkeit kapselt die LAGP-Partikel ein und macht die Zwischenschicht weich und schützend. Das Material, das eine ähnliche Textur wie Butter aus dem Kühlschrank hat, erfüllt mehrere Funktionen und lässt sich leicht verteilen.

Obwohl das Potenzial von Festkörperbatterien sehr gut bekannt ist, gibt es bisher keine etablierte Möglichkeit, sie ausreichend stabil zu machen, insbesondere bei hohen Stromdichten, wenn einer Batteriezelle sehr schnell viel Energie entzogen wird, d.h. bei schneller Ladung oder Entladung. Die Chalmers-Forscher sehen in der Entwicklung dieser neuen Zwischenschicht ein grosses Potenzial.

"Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung großformatiger, kostengünstiger, sicherer und umweltfreundlicher Batterien, die eine hohe Kapazität aufweisen und mit hoher Geschwindigkeit geladen und entladen werden können", sagt Aleksandar Matic, Professor am Fachbereich Physik von Chalmers, der prognostiziert, dass Festkörperbatterien innerhalb von fünf Jahren auf den Markt kommen werden.

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