Neues Festkörper-Elektrolyt verspricht Mikrobatterien mit hoher Speicherkapazität
Nach einem Durchbruch des EU-Projekts SUPER-Lion könnten wir bald weniger entflammbare, länger haltbare und leistungsfähigere wiederaufladbare Batterien verwenden. Mit der Unterstützung des Marie-Curie-Programms entwickelte Dr. Knut Bjarne Gandrud ein extrem dünnes Festkörper-Elektrolyt für wiederaufladbare Batterien. Bei Elektrolyten handelt es sich um das chemische Medium, das eine Kathode und eine Anode in einer Batterie trennt und so den Fluss einer elektrischen Ladung zwischen den beiden ermöglicht. Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden derzeit mit flüssigen Elektrolyten betrieben. Die neue Art der Fertigung von Festkörper-Elektrolyten von SUPER-Lion könnte ihnen jedoch den Weg zum Einsatz in dünnen Batterien für Geräte ebnen, die für den aufkommenden Markt des Internets der Dinge entwickelt werden. Mit 40 Nanometern ist das Elektrolyt extrem dünn, was es ideal für den Einsatz in Mikrogeräten macht. Dr. Gandruds Forschung wurde von Professor Philippe Vereecken, dem wissenschaftlichen Direktor am Zentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien IMEC, und Professor an der KU Löwen in Belgien überwacht und von zwei Master-Studenten assistiert. „Unsere Batterie könnte bei 120 Grad Celsius arbeiten, eine Leistung, die heutige Batterien mit flüssigen Elektrolyten nicht schaffen“, sagt Dr. Gandrud. „Die heute verwendeten flüssigen Elektrolyte sind entflammbar und die Batterie hat einen begrenzten Lebenszyklus, zum Teil aufgrund der Nebenreaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt.“ Mit flüssigem Elektrolyt betriebene Li-Ion-Batterien werden in den meisten Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops, aber auch in Elektrofahrzeugen verwendet. Die meisten Festkörper-Lithium-Batterien werden eher in kleineren Anwendungen eingesetzt, die nicht so viel Energie benötigen, bzw. wenn Sicherheit von großer Bedeutung ist, wie zum Beispiel in medizinischen Implantaten. Klein, aber leistungsfähig Das liegt daran, dass viele Festkörper-Lithium-Batterien auf dem Markt nur eine begrenzte Kapazität aufweisen oder bei höheren Temperaturen nicht funktionieren. Die Fertigungsmethode von SUPER-Lion wird das ändern. Es wurde ein Nano-Verbund-Elektrolyt entwickelt, das leicht in kleinere Batterien integriert werden kann, was ermöglicht, dass die Energie der Batteriezelle einfach erhöht werden kann. Die Fertigungsmethode kann auch leicht auf Massenproduktion zum richtigen Preis hochskaliert werden. Das Team testete in Batteriezellen mit dem Metall Lithium als Anode, dem Material, das die größte Herausforderung darstellt, da die meisten Materialien chemisch nicht beständig gegen Lithium sind. Es ergaben sich wirkliche Vorteile durch den Einsatz von Lithium, da es über das Potenzial verfügt, die Energiedichte wiederaufladbarer Batteriezellen auf über 1 000 Wh/l zu erhöhen. Die Ergebnisse zeigten dem Team, dass sie noch nicht alle ihre Ziele erreicht haben, sich aber auf dem richtigen Weg befinden. Die Batterie hatte zum Beispiel nur 75 % der umkehrbaren Kapazität einer Li-Ion-Batterie mit flüssigem Elektrolyt – bei der die Ladung der Batteriezelle nach der Entladung wiederhergestellt wird. Entscheidend bleibt jedoch, dass die Zelle effizienter war, als wenn sie ein flüssiges Elektrolyt enthielt und eine höhere Lebensdauer aufwies. „Das neue Festkörper-Elektrolyt zeigte keine unerwünschten Nebenreaktionen mit den Elektroden“, sagt Dr. Gandrud. Die Kommerzialisierung des Produkts kann einige Zeit in Anspruch nehmen. Entwickler werden wahrscheinlich mehr kleine elektronische Geräte entwickeln, wenn die für ihre Stromversorgung benötigten Mikrbatterien verfügbar sein werden. Gäbe es mehr Geräte, die leistungsfähige Mikrobatterien benötigen, würden die privaten Investitionen in die Fertigung solcher Batterien zunehmen. „Es ist das Problem mit dem Huhn und dem Ei“, sagt Prof. Vereecken. Das Marktpotenzial für Festkörper-Elektrolyte macht es zu einem heißen Thema für die Forscher. „Die Förderung durch die EU war für uns von entscheidender Bedeutung“, sagt Dr. Gandrud. „Der harte Wettbewerb macht es schwierig, Fördergelder zu erhalten.“
Schlüsselbegriffe
SUPER-Lion, wiederaufladbare Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Festkörper-Elektrolyt, flüssiges Elektrolyt, Elektroden, extrem dünne Batterien, Internet der Dinge
