Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums und der University of Chicago haben einen neuen Durchbruch erzielt und einen Weg gefunden, die Energiedichte und Zyklenlebensdauer von Festkörperbatterien zu steigern. Die damit verbundenen Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht und stellen zwei entscheidende Schritte auf dem Weg zur kommerziellen Anwendung der neuen Batterietechnologie dar.
Festkörperbatterien bestehen aus festen Komponenten und enthalten keine Flüssigkeiten oder Gelmaterialien. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bieten sie Vorteile wie erhöhte Sicherheit, geringeres Gewicht, längere Lebensdauer und höhere Energiedichte. Allerdings beeinträchtigen schlechte Verbindungen zwischen dem festen Elektrolyten und dem Kathodenmaterial den Ionenfluss und die Leistung, was Grenzflächenprobleme zu einer Herausforderung bei der Entwicklung von Festkörperbatterien macht.
Khalil Amine, Distinguished Fellow bei Argonne und Professor an der University of Chicago, erklärte: „Die Lösung der Grenzflächenprobleme in Festkörperbatterien ist der Schlüssel zur Realisierung dieses vielversprechenden Systems.“ Amine und der Argonne-Chemiker Guiliang Xu leiteten ein Team, das durch schnelles Vermischen von festem Elektrolyten, Kathode und anderen Batteriematerialien einen „Halogenid-Austausch“-Prozess auslöste. Dabei wandern Lithiumatome, die mit Elementen wie Chlor verbunden sind, zur Grenzfläche, was die Batterieleistung deutlich verbessert, die Lebensdauer verlängert und gegenüber anderen Leistungssteigerungsstrategien für Festkörperbatterien überlegen ist.
Unter bestimmten Testbedingungen übertraf die Energiedichte der Halogenid-Austausch-Batterie die theoretische Grenze für diesen Batterietyp. Die Batterie zeigte nach 100 Lade-Entlade-Zyklen intakte Leistung und behielt nach 450 Zyklen noch über 80 % ihrer Leistung. Die Leistungssteigerung bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Erwärmung ist für kommerzielle Anwendungen vorteilhafter. Das Team geht davon aus, dass das schnelle Rühren (2000 U/min über fünf Stunden) Wärme und Scherkräfte erzeugt, die eine „mechanochemische Reaktion“ auslösen, den Halogenid-Austausch initiieren und die Bewegung von Lithiumionen verbessern.
Dieses Verfahren kann auch die Leistung anderer Arten von Festkörperbatterien verbessern. Das Team testete Batterien mit Selen- und Tellur-Kathoden und stellte fest, dass der Halogenid-Austausch ähnliche Effekte zeigt und nach schnellem Rühren eine bessere Leistung erzielt, was die Kommerzialisierung verschiedener Batteriechemien vorantreiben könnte. Um den Halogenid-Austausch auf atomarer Ebene zu beobachten, setzte das Team verschiedene fortschrittliche Techniken ein. Guiliang Xu sagte: „Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt für diese Art von Batteriesystemen dar, insbesondere durch die Nutzung von erdreich vorkommendem Schwefel, der die Energiedichte, Zyklenlebensdauer und Kosteneffizienz deutlich verbessert.“
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Jieun Lee et al.; Titel: „Halogenid-Austausch zur Verbesserung von vollständig festen Lithium-Schwefel-Batterien“; veröffentlicht in: Science (2025); Zeitschrifteninfo: Science.
