Lithium-Ionen-Batterien werden mittlerweile in nahezu allen mobilen Geräten als Stromquelle eingesetzt. Eine Optimierung des state-of-the-art könnte allerdings noch entscheidende Verbesserungen in Umweltfreundlichkeit, Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit bringen. Das Forschungsinteresse konzentriert sich unter anderem auf Alternativen für herkömmliche Flüssigelektrolyte. Als vielversprechend gelten Keramik-Festkörperelektrolyte. Deren Vorteile:
- eine deutlich geringere Explosionsgefahr;
- bei Beschädigung, wie etwa einem Crash, tritt keine Säure aus, die bei Menschen Verätzungen und Vergiftungen hervorrufen kann;
Eigenschaften von Keramik-Festkörperelektrolyten
Der Wissenschafter Daniel Mutter, aus der Gruppe Materialmodellierung am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM konnte jetzt klären, wie Keramik-Festkörperelektrolyte chemisch zusammengesetzt sein müssen, um die aktuellen Schwächen der Lithium-Ionen-Batterien auszugleichen.
Im Allgemeinen haben Keramik-Festkörperelektrolyte eine mangelnde ionische Leitfähigkeit, die auf das keramische Material zurückzuführen ist. Eine Ausnahme bildet lediglich die Klasse der NZP ( NaZr2(PO4)3))-Keramiken. Deren struktureller Aufbau ermöglicht Wanderpfade, auf welchen sich Lithium-Ionen leicht fortbewegen können.
Hohe Forschungshürden
Unklar war bislang, warum bestimmte Verbindungen leistungsfähiger sind als andere und welche tatsächlich besonders gute Leistung erbringen. Ein weiteres Forschungsproblem waren die hohen Anforderungen, die an Batterie-Elektrolyte gestellt werden:
- Diese sollen sehr hohe ionische Leitfähigkeit besitzen;
- Die verwendeten chemischen Elemente sollen ungiftig sein und in hohem Ausmaß in der Erdkruste vorhanden sein;
Simulation am Supercomputer
Jetzt gelang es Mutter mehrere vielversprechende Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken zu identifizieren. Er arbeitete mit atomistischen Simulationen und konnte – ohne tatsächliche chemische Synthetisierung – gesicherte Aussagen zu Eigenschaften verschiedener Elementverbindungen treffen. Die Simulationen wurde am Großrechner des Steinbuch-Supercomputer-Centers am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt.
Jetzt will Mutter die eruierten Verbindungen für Keramik- Festkörperelektrolyte mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren. Bei den gängigen Flüssigelektrolyten ist dies nicht möglich. Diese reagieren mit metallischem Lithium stark und beschädigen dadurch die Batterie.
Vorteile von Keramik-Festkörperelektrolyten
Im nächsten Schritt will er zu ersten Tests übergehen. Dabei wird sich herausstellen, ob die erwartete Steigerung der Ionen-Leitfähigkeit zu erreichen ist und eine auf Keramik-Festkörperelektrolyten basierende Batterie tatsächlich eine höhere Energie– und Leistungsdichte erreichen kann.
- Im Fall der Elektromobilität würde dies kürzere Ladedauer bei längeren Betriebszeiten bedeuten.
- Ein weiterer Vorteil wäre ein geringeres Gewicht. Lithium-Metall-Anoden sind bei gleicher Kapazität deutlich leichter als die bisher verwendeten Graphit-Anoden.
Die chemischen Elemente, aus denen die Elektrolytmaterialien bestehen, sind in hohem Maß in der Erdkruste in Europa vorhanden und relativ leicht abbaubar. Bislang werden in Lithium-Ionen-Batterien von Smartphones Elemente wie etwa Kobalt eingesetzt, das aus dem Kongo importiert werden muss.
Atomare Vorgänge in NZP-Keramiken
Über die vielversprechenden Befunde zu Materialzusammensetzungen hinaus, trägt Mutter mit seiner Forschung auch zu einem besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken bei. So konnte er klären, wie die für die Lithium-Ionen-Wanderung nötige Migrationsenergie von der Sauerstoffumgebung um den Ionenwanderweg abhängt – und damit bisherige Vermutungen widerlegen.
Originalpublikation:
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