Festkörperbatterie – sicherer, zuverlässiger, mehr Energie speicherbar

Festkörperbatterie – sicherer, zuverlässiger, mehr Energie speicherbar. Eine neue Akku-Ära bahnt sich an. Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben zusammen mit Kollegen der Universität Genf den Prototyp einer sogenannten Festkörperbatterie entwickelt. Damit soll mehr Energie gespeichert und ein hohes Niveau an Sicherheit sowie Zuverlässigkeit gewährleistet werden. Zudem basiert diese Batterie auf Natrium, einer kostengünstigeren Alternative zu Lithium.

Suche nach Ionenleiter

Die Festkörper-Technologie hat das Potenzial, die zunehmende Nachfrage der Wachstumsmärkte zu decken und gleichzeitig immer leistungsfähigere Akkus zu ermöglichen, die sich schneller laden lassen, eine größere Energiemenge aufnehmen und mehr Sicherheit bieten. Die Verwendung eines Festkörperelektrolyten kann Dendritenbildung unterdrücken, was wiederum den Einsatz von metallischen Anoden und somit höhere Energiedichten ermöglicht.

„Wir benötigten jedoch noch einen geeigneten festen Ionenleiter, der chemisch sowie thermisch stabil und nicht toxisch ist. Er sollte außerdem den Transport des Natriums von der Anode zur Kathode ermöglichen“, erklärt der Genfer Forscher Hans Hagemann. Die Fachleute haben entdeckt, dass der borhaltige Stoff closo-Boran den Natrium-Ionen erlaubt, relativ frei zu zirkulieren. Zudem ist closo-Boran ein anorganischer Elektrolyt, der im Vergleich zu den flüssigen Elektrolyten in Lithiumionen-Batterien nicht brennbar ist. Es handelt sich also um ein Material mit vielversprechenden Eigenschaften, die in Alltagsanwendungen nutzbar wären.

closo-Boran als Elektrolyt

Um einen engen Kontakt zwischen den drei Komponenten herzustellen – zwischen der Anode aus festem metallischem Natrium, der Kathode aus Natriumchromoxid sowie dem Elektrolyten, dem closo-Boran – haben die Schweizer einen Teil des festen Elektrolyten in einem Lösungsmittel gelöst und fügten dann das Kathodenmaterial hinzu. Sobald das Lösungsmittel verdampft war, schichteten sie dieses kompakte Pulver mit dem Elektrolyten sowie der Anode auf und pressten die einzelnen Schichten zu einer festen Batterie zusammen.

Es folgten aufwendige Tests. „Die elektrochemische Stabilität des von uns hier eingesetzten Elektrolyts hält einer Spannung von drei Volt stand. Viele der früher untersuchten festen Elektrolyte werden bei diesem Wert bereits zersetzt“, erläutert Empa-Wissenschaftler Arndt Remhof. Die Wissenschaftler führten 250 Lade- und Entladezyklen an dem Akku durch, mit dem Ergebnis, dass danach noch 85 Prozent der Energiekapazität verfügbar waren.