SK On tüftelt an Zyklenfestigkeit von Feststoffakkus

SK On entwickelt aktuell zwei Arten von Feststoffakkus: Eine Variante mit Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffen und eine sulfidbasierte Variante, deren kommerzielle Prototypen bis 2028 bzw. 2030 erwartet werden. Die Festkörperbatterie-Pilotanlage des Unternehmens, die derzeit im koreanischen Forschungszentrum in Daejeon unter Mithilfe von Solid Power gebaut wird, soll in der zweiten Hälfte des Jahres 2025 fertiggestellt werden.

SK On veröffentlicht in diesem Zuge regelmäßig Updates zu F&E-Fortschritten. Vergangenen Sommer machte das Unternehmen beispielsweise publik, einen festen Polymer-Elektrolyten für Lithium-Metall-Batterien geschaffen zu haben, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Anfang 2025 meldeten die Südkoreaner unter anderem, eine neue Herstellungsmethode für den festen Elektrolyten gefunden zu haben – auf Basis einer Lichtenergie-Technologie.

Nun präsentiert SK On also Fortschritte bei der Lebensdauer von Batterien auf Sulfidbasis, die über Lithium-Metall-Anoden verfügen. Und legt überdies neue Erkenntnisse zum Zusammenhang zwischen der Aushärtungszeit von Gel-Polymer-Elektrolyten und der Batterielebensdauer vor. „Diese Errungenschaften sind das Ergebnis der kontinuierlichen Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen von SK On und der technologischen Kompetenz, die durch die Zusammenarbeit mit der Wissenschaft ermöglicht wurde“, sagt Kisoo Park, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von SK On. „Sie werden als wichtige Grundlage für die Bewältigung der technologischen Herausforderungen von Festkörperbatterien dienen.“

Schauen wir zunächst auf die neuen Forschungsergebnisse zu Lithium-Metall-Batterien auf Sulfidbasis, die SK On zusammen mit der Hanyang University in Seoul jüngst in der Fachzeitschrift „ACS Energy Letters“ veröffentlicht hat. Um die Lebensdauer solcher Batterien zu verlängern, setzen die Forscher im Kern auf eine Schutzschicht auf der Oberfläche der Lithiummetallanode. Die Methode hat das Team nach eigenen Angaben bereits zum Patent angemeldet.

Zur Ausgangslage: Lithiummetall gilt als Anodenmaterial der nächsten Generation, da es eine hohe Kapazität – etwa zehnmal höher als die von Graphit – hat. Es weist allerdings auch eine hohe Reaktivität mit Luft auf, was zur ungleichmäßigen Bildung von anorganischen Verbindungen auf seiner Oberfläche führen kann. Diese Schicht behindert laut SK On die Bewegung der Lithium-Ionen, was die Lade- und Entladeeffizienz verringert und gleichzeitig die Bildung von Dendriten fördert. Außerdem haben Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden den Forschern zufolge in der Regel nur eine begrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen, oft um die 100.

Um die Lebensdauer dieser Batterien zu verlängern, entfernte das Forschungsteam die widerstandsfähige Oberflächenschicht, indem es die Lithium-Metall-Anode in eine speziell formulierte Lösung aus Nitromethan, Dimethoxyethen und Lithiumnitrat tauchte. „Auf diese Weise bildete sich eine Schutzschicht mit hoher Ionenleitfähigkeit, die auf Lithiumnitrat zurückzuführen ist, und mit erhöhter mechanischer Festigkeit aufgrund von Lithiumoxid“, teilt SK On mit. Die experimentellen Ergebnisse sollen daraufhin ergeben haben, dass „die oberflächenmodifizierte Lithium-Metall-Anode einen stabilen Zyklus von über 300 Lade- und Entladezyklen bei Raumtemperatur ermöglicht, was die Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Metall-Festkörperbatterien verdreifacht“.

In einer zweiten Forschungsarbeit widmete sich SK On zusammen mit der Yonsei-Universität dem Mechanismus der Kathodendegradation bei Polymer-Feststoffbatterien. Konkret konnten die Wissenschaftler den Zusammenhang zwischen der Lebensdauer von Batterien und der thermischen Aushärtungszeit von Gelpolymerelektrolyten (GPEs) aufdecken. Ihre Studie wurde jüngst in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Der Studie zufolge führt eine längere thermische Aushärtungszeit der GPEs zu einer besseren Erhaltung der Batterieleistung. Akkus, die Elektrolyte mit 60 Minuten thermischer Aushärtung verwendeten, wiesen demnach einen Rückgang der Entladekapazität um 9,1 Prozent auf, während bei Batterien mit nur 20 Minuten thermischer Aushärtung ein Rückgang um 34 Prozent zu verzeichnen war. „Dies deutet darauf hin, dass eine kürzere thermische Aushärtungszeit zu einer leichteren Zersetzung der Kathodenschutzschicht führt, was wiederum die Kapazität verringert und letztlich die Lebensdauer der Batterie verkürzt“, interpretiert SK On.

In der Studie wendete das Team auch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie an. Dabei handelt es sich um einen quantenmechanischen Modellierungsansatz zur Berechnung der Anordnung von Elektronen in Materialien und zur Vorhersage ihrer Energiezustände. Diese Methode zogen die Forscher heran, um die Ursache und den Mechanismus der Leistungsverschlechterung der Kathode zu ermitteln und die durch Restmonomere verursachten Nebenreaktionen während der ersten Ladephase zu untersuchen. Laut SK On sollen die Ergebnisse dieser Studie dazu beitragen, die Lebensdauer von Batterien auf Polymer-Oxid-Verbundbasis zu verbessern.

Quelle: Infos per E-Mail