PSI zeigt neues Verfahren für Produktion von Festkörperbatterien

Feststoffbatterien könnten schon bald die typischen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt ersetzen. Doch bis es soweit ist, sind noch einige technische Hürden zu nehmen. Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun eine neue Methode präsentiert, die die Produktion vereinfachen soll.

Paul scherrer institut feststoffakku festkoerperbatterie — Bild: Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

In der Theorie sind Festkörperbatterien den herkömmlichen Lithium-Ionen gleich doppelt überlegen: Zum einen enthalten sie keine brennbaren flüssigen Komponenten – der Betrieb ist also deutlich sicherer. Zum anderen versprechen Festkörperbatterien mit dünnem Lithium-Metall als Anode höhere Energiedichten. Letzteres führt dazu, dass in den Batterien deutlich mehr Energie gespeichert werden kann, was wiederum höhere Reichweiten oder auch leichtere Fahrzeuge ermöglichen kann.

Deshalb gilt die Technologie als so entscheidend für die Zukunft von E-Autos – daher hat sich auch Volkswagen bereits 2012 an dem US-Spezialisten QuantumScape beteiligt und will dessen Technologie perspektivisch lizenzieren, um die Feststoffzellen dann selbst von seiner Batterietochter PowerCo bauen zu lassen. Und der US-Batterieentwickler Factorial hat wiederum Mercedes-Benz und Stellantis als strategische Investoren gewonnen.

Bislang gibt es aber zwei zentrale Probleme, die der Marktreife von Feststoffakkus im Weg steht: Einerseits stellt die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode ein kritischer Punkt. Das sind winzige nadelartige Metallstrukturen, die den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden durchdringen, sich in Richtung Kathode ausbreiten und Kurzschlüsse innerhalb der Batterie verursachen können. Andererseits besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt.

Und genau diese beiden Probleme sind Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI in der Schweiz angegangen – und hat ein neues Fertigungsverfahren entwickelt. Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am PSI, erläutert: „Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren.“

Im Mittelpunkt der PSI-Studie steht der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl (LPSCl), ein sulfidbasierter Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel. Das Mineral weist eine hohe Lithiumionen-Leitfähigkeit auf, was einen schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie ermöglicht – eine wesentliche Voraussetzung für hohe Leistung und effiziente Ladeprozesse. Das macht Argyrodit-basierte Elektrolyten zu vielversprechenden Kandidaten für Festkörperbatterien.

Für die Verdichtung des Festelektrolyten gab es bislang zwei Verfahren mit unerwünschten Nebenwirkungen: Das Pressen bei Raumtemperatur ist unzureichend, weil es zu einer porösen Mikrostruktur und übermässigem Kornwachstum führt. Die Verarbeitung bei sehr hohen Temperaturen von über 400 Grad wiederum birgt das Risiko, dass der Festelektrolyt zersetzt wird.

Daher haben sich die PSI-Forscher hierfür einen neuen Ansatz überlegt: Sie haben das Material bei moderater Temperatur und Druck zusammengepresst.
Dadurch sind weniger Lücken im Material, und die Dendriten können nicht so leicht hindurchwachsen. Und die Forscher haben eine nur 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid (LiF) unter Vakuum verdampft und gleichmässig als ultradünner Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen. Diese Schicht schützt die Grenzfläche und hilft, chemische Probleme zu vermeiden.

Die neue Methode funktioniert hervorragend: In Tests im Labor hat die Batteriezelle nach 1.500 Lade- und Entladezyklen noch etwa 75 Prozent ihrer Leistung behalten. Das PSI sieht deshalb gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten.

psi.ch