Feststoff-Elektrolyte für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien
08.01.2020 - Atomistischer Simulationen liefern Kombinationen chemischer Elemente für vielversprechende NZP-Keramiken.
Leistungsfähige, langlebige Energiespeicher sind für viele Zukunftstechnologien von zentraler Bedeutung: etwa für die Elektromobilität, für mobile Endgeräte wie Tablets oder Smartphones oder zur effizienten Nutzung regenerativer Energien. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik konnten jetzt klären, wie Feststoff-Elektrolyte aus Keramik chemisch zusammengesetzt sein müssen, um gute Leistung in Lithium-Ionen-Batterien zu erbringen. Solche Feststoff-Elektrolyte sind umweltfreundlicher als herkömmliche Flüssig-Elektrolyte und könnten Lithium-Ionen-Batterien deutlich leistungsfähiger und betriebssicherer machen.
„Die Überlegung, dass keramische Festkörper-Elektrolyte eine vielversprechende Alternative für herkömmliche Flüssig-Elektrolyte in Batterien und Akkumulatoren sein könnten, ist in der Materialwissenschaft nicht neu“, erklärt Daniel Mutter vom Fraunhofer-IWM. Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssig-Elektrolyten sind Festkörper-Elektrolyte sicherer im laufenden Betrieb: Sie bergen eine deutlich geringere Explosionsgefahr und bei einer Beschädigung, beispielsweise durch einen Crash, tritt keine Säure aus, die bei Menschen Verätzungen und Vergiftungen hervorrufen kann.
Im Allgemeinen fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Eine hohe ionische Leitfähigkeit verspricht jedoch die Klasse der NZP-Keramiken: Ihr struktureller Aufbau ermöglicht die Existenz von „Wanderpfaden“, auf denen sich Lithium-Ionen leicht fortbewegen können. Das macht sie zum interessanten Kandidaten für hochleistungsfähige Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien.
Unklar war bisher allerdings, warum bestimmte Verbindungen leistungsfähiger sind als andere und welche tatsächlich besonders gute Leistung erbringen. Die Anforderungen an die Materialeigenschaften von Batterie-Elektrolyten sind beachtlich: Die ionische Leitfähigkeit soll hoch und die verwendeten chemischen Elemente sowohl ungiftig als auch reichhaltig in der Erdkruste vorhanden sein.
Mutter und seine Kollegen identifizierten mithilfe atomistischer Simulationen mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken, die für diese Anforderungen besonders vielversprechend sind. „Mit dieser computerbasierten Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener chemischer Elementverbindungen machen, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen“, erklärt der Forscher. Der Vorteil: Die tatsächliche Synthese ist teuer und benötigt Ressourcen.
„Diese besonders vorteilhaften Keramik-Festkörper-Elektrolyte können wir unter Umständen mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren – das ist bei den heute gebräuchlichen flüssigen Elektrolyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metallischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, erklärt Mutter. „Im nächsten Schritt könnten wir mit Partnern praktisch testen, ob unsere vorhergesagten Elektrolytmaterialien die Ionenleitfähigkeit wie erwartet deutlich steigern und daraus bestehende Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungsdichte erreichen.“ Das hieße konkret: Kürzere Ladedauer bei längerer Betriebszeit, was insbesondere für die Elektromobilität von Vorteil wäre. Zudem bedeutet diese Kombination weniger Gewicht, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter sind als die bisher verwendeten Graphit-Anoden.
Die chemischen Elemente, aus denen die untersuchten Elektrolytmaterialien bestehen, sind zahlreich in der Erdkruste in Europa vorhanden und verhältnismäßig leicht abbaubar. So wird vermieden, dass Elemente wie etwa Kobalt, das beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien von Smartphones zum Einsatz kommt und oftmals aus dem Kongo importiert wird, zur Herstellung benötigt werden. Über die Vorhersage vielversprechender Materialzusammensetzungen hinaus trägt die Untersuchung zum besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken bei. So zeigte sich, dass die für die Lithium-Ionen-Wanderung nötige Migrationsenergie auf eine andere Weise von der Sauerstoffumgebung um den Ionenwanderungspfad abhängt als bisher vermutet. Identifizierte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen deutlich fundiertere Vorhersagen über die Auswirkungen der elementaren Besetzungen auf das Strukturgerüst und die Ionenleitfähigkeit der NZP-Keramiken.
Fh.-IWM / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung:
D. Mutter, D. F. Urban & C. Elsässer: Computational analysis of composition-structure-property-relationships in NZP-type materials for Li-ion batteries, J. Appl. Phys. 125, 215115 (2019); DOI: 10.1063/1.5091969 - Gruppe Materialmodellierung, Geschäftsfeld Materialdesign, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg