Ein chinesisches Forschungsteam hat kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ Forschungsergebnisse über einen flexiblen, zusammengesetzten Festkörperelektrolyten veröffentlicht. Dieser Elektrolyt weist einen geschichteten Aufbau auf und kann ohne äußeren Druck eine ionische Leitfähigkeit ähnlich der von Flüssigelektrolyten erreichen. Damit eröffnet er einen neuen Weg für ein vereinfachtes Design von Voll-Festkörper-Lithiumbatterien.
Festkörperelektrolyten gelten als Schlüsselkomponente für den Aufbau sichererer Batterien mit höherer Energiedichte, da sie brennbare Flüssigelektrolyte ersetzen. Traditionelle Festkörpermaterialien mit hoher Leitfähigkeit sind jedoch oft spröde und erfordern hohen Stapeldruck, um den Kontakt zwischen den Batteriekomponenten aufrechtzuerhalten, was Systemkomplexität und Kosten erhöht. Der neu entwickelte geschichtete Elektrolyt löst dieses Problem effektiv, indem er die Ionenleitung von der mechanischen Flexibilitätsfunktion trennt.
Der Elektrolyt besteht aus abwechselnd angeordneten Schichten vertikal ausgerichteter anorganischer LixMyPS3 (LiMPS, M = Cd oder Mn) Nanoblätter und Polyethylenoxid-Polymerschichten. Die anorganischen Schichten bilden durchgehende Supra-Ionenkanäle, während die Polymerschichten Flexibilität bieten und helfen, einen engen Elektrodenkontakt aufrechtzuerhalten. In Tests erreichte die PA-LiCdPS/PEO-Version bei 25 °C eine ionische Leitfähigkeit von 10,2 mS cm⁻¹, vergleichbar mit Flüssigelektrolyten; die PA-LiMnPS/PEO-Version erreichte unter gleichen Bedingungen 6,1 mS cm⁻¹, was zeigt, dass die Struktur für verschiedene chemische Systeme geeignet ist.
Zusätzlich zur hohen Leitfähigkeit zeigt das Material auch hervorragende mechanische Flexibilität, die es der Batteriezelle erlaubt, sich während des Zyklusbetriebs an Volumenänderungen der Elektroden anzupassen, ohne dass hoher äußerer Druck erforderlich ist. Knopfzellen mit PA-LiCdPS/PEO arbeiteten bei einem Stapeldruck unter 0,5 MPa und behielten nach 600 Zyklen 92 % ihrer Kapazität; Pouch-Zellen arbeiteten auch bei Drücken unter 0,1 MPa stabil, was den Herstellungsprozess vereinfacht und die Skalierung der Produktion begünstigt.
Die Forscher lösten auch das Problem der Luftempfindlichkeit sulfidbasierter Elektrolyte. Während herkömmliche Materialien in feuchter Luft leicht abgebaut werden und Schwefelwasserstoffgas freisetzen, behielt der neue Elektrolyt auch nach siebentägiger Exposition eine hohe Leitfähigkeit bei, und die Schwefelwasserstofffreisetzung war vernachlässigbar. Durch den Aufbau kontinuierlicher Supra-Ionenkanäle in einem biomimetischen flexiblen Rahmen ermöglicht dieses Design die Koexistenz von hoher ionischer Leitfähigkeit und mechanischer Nachgiebigkeit und vermeidet so Kompromisse zwischen den Eigenschaften.
Falls diese Methode in Zukunft skalierbar ist, könnte sie die praktische Anwendung von Festkörperbatterien in Bereichen wie Elektrofahrzeugen und Netzspeichern vorantreiben und den Bedarf an Sicherheit, Langlebigkeit und vereinfachter Montage erfüllen. Die Entwicklung des geschichteten Festkörperelektrolyten markiert einen wichtigen Schritt für die Batterietechnologie in Richtung hoher Leistung und niedriger Kosten.
