Momentan sind Lithium-Ionen-Akkus noch Standard bei E-Autos oder auch Smartphones. Die Nachteile und Probleme, die sie verursachen können, sind jedoch bekannt. An erster Linie steht hier die relativ geringe Reichweite beziehungsweise Laufzeit. Dazu kommen lange Ladezeiten und auch durchbrennende Akkus, die darüber hinaus auch noch schwer zu löschen sind – außer man taucht sie komplett in Wasser. Was bei einem brennenden Auto nur schwer möglich ist. Der Knackpunkt ist bei diesen Akkus die Batterieflüssigkeit. Sie ist als Leitmedium zwischen den Plus- und Minuspol nötig. Last but not least ist bei dieser Art Akkus ein Kühlkreislauf nötig, der Platz benötigt und auch zusätzliches Gewicht bedeutet.
Ganz anders bei sogenannten Feststoffbatterien. Hier sind Plus- und Minuspol durch einen sogenannten Festelektrolyten anstelle des leicht brennbaren, flüssigen Elektrolyten verbunden. Sie sind also „trocken“. Der Akku benötigt keine extra Kühlung und auch die Energiedichte der Batterie ist höher. Das hat wiederum zur Folge, dass mehr Strom bei weniger Gewicht und weniger Volumen gespeichert werden kann. Dies bedeutet mehr Reichweite, bzw. längere Laufzeit bei kürzerer Ladezeit – und ein niedrigerer Preis. Außerdem ist die Feststoffbatterie bedeutend sicherer, weil keine Elektrolyten in der Batterieflüssigkeit überhitzen und brennen können.
Umstieg noch in weiter Ferne
Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin und der Justus-Liebig-Universität Gießen ist es nun gemeinsam mit dem Industriepartner BASF gelungen, „die Vorgänge in einer Feststoffbatterie mit Lithium als Minuspol und Kupfersulfid als Pluspol genauer zu verstehen“.
„Kupfersulfid, auch bekannt als Covellin, ist ein häufig vorkommendes Mineral. Das Besondere an dieser Verbindung ist eine einzigartige Kombination verschiedener Eigenschaften. So lässt sich Covellin sehr gut verformen und leitet äußert effizient Kupferionen und Elektronen“, erklärt Philipp Adelhelm, Elektrochemiker und Professor am Institut für Chemie der Humboldt-Universität. „In einer Feststoffbatterie mit Lithium als Gegenelektrode führt dies zu einer überraschend effizienten Reaktion. Die Batterie lässt sich daher über viele Zyklen wiederaufladen und zeigt im Vergleich zu anderen Sulfiden deutlich bessere Eigenschaften.”
Der Umstieg auf Feststoffbatterien sei allerdings eine Herausforderung, da hierfür neben neuen Materialien auch neue Fertigungsprozesse entwickelt werden müssen, betonen die Wissenschaftler. Es gebe zwar bereits Prototypen, mit einer möglichen Markteinführung werde aber erst in fünf bis zehn Jahren gerechnet.
„Wir stecken hier noch in der Grundlagenforschung“, sagt Professor Philipp Adelhelm. „[Wir] sehen aber an den Ergebnissen eindrucksvoll, welchen großen Einfluss die physikalisch-chemischen Eigenschaften einer Verbindung auf das Batterieverhalten haben können.”
Auch Hersteller forschen
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts publizierten die Forscher nun im Journal Advanced Energy Materials.
In Berlin wird die Forschung an Batteriematerialien auch in einer gemeinsamen Forschergruppe fortgesetzt, die in diesem Jahr gemeinsam von der Humboldt-Universität und dem Helmholtz-Zentrum Berlin gegründet wurde. Weiterhin forschen auch Autohersteller wie Volkswagen und Toyota an Feststoffbatterien. Die Japaner fassen eine Einführung in Serienfahrzeugen bereits für das Jahr 2025 ins Auge. Bei Volkswagen stehen hier Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern im Raum.
Publikation: Macroscopic displacement reaction of copper sulfide in lithium solid-state batteries.
Aggunda L. Santhosha, Nazia Nazer, Raimund Koerver, Simon Randau, Felix H. Richter, Dominik A. Weber, Joern Kulisch, Torben Adermann, Jürgen Janek und Philipp Adelhelm.
Advanced Energy Materials, 2020, 2002394, doi: 10.1002/aenm.2002394 (open access organized by Projekt DEAL)
