19 (Nanowerk-Scheinwerfer) Die Lithium-Ionen-Batterie ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig und treibt alles an, vom Smartphone bis zum Elektrofahrzeug. Doch da die Nachfrage nach Batterien mit höherer Energiedichte, schnelleren Ladezeiten, verbesserter Sicherheit und geringeren Kosten wächst, verschieben Forscher weiterhin die Grenzen der Batteriechemie und des Batteriedesigns. In einem neuen Perspective-Artikel veröffentlicht in Fortschrittliche Energiematerialien („Eine Roadmap für Festkörperbatterien“) entwerfen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung und der Justus-Liebig-Universität den Entwicklungspfad für eine der vielversprechendsten Batterietechnologien der nächsten Generation – die Festkörperbatterie.
Grafische Darstellungen a) einer hochmodernen Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem Elektrolyt und b) einer Festkörperbatterie mit Lithium-Metallanode. (CC: Stromkollektor; LE: Flüssigelektrolyt, SE: Festelektrolyt; AAM/CAM: aktives Anoden- bzw. Kathodenmaterial; LMA: Lithiummetallanode). (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Seit über drei Jahrzehnten haben Innovationen bei Lithium-Ionen-Batterien deren Leistung stetig verbessert. Doch grundlegende Einschränkungen ihrer flüssigen Elektrolyte – dem Medium, das Lithiumionen zwischen Anode und Kathode transportiert – sind zu Hindernissen für weitere Fortschritte geworden. Brennbare flüssige Elektrolyte stellen Sicherheitsrisiken dar, insbesondere wenn höhere Energiedichten angestrebt werden. Sie begrenzen auch die verwendbaren Materialien für die Anode. Graphit dominiert heute kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien, aber neue Anodenmaterialien mit hoher Kapazität wie Lithiummetall und Silizium könnten in Kombination mit einem nicht brennbaren Festelektrolyten große Sprünge in der Energiedichte ermöglichen. Der Verzicht auf eine Flüssigkeit durch einen Feststoff würde Bedenken hinsichtlich der Entflammbarkeit beseitigen, die Verwendung von Lithiummetall- oder Siliziumanoden ermöglichen und neue Möglichkeiten für die Batterieoptimierung eröffnen. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, die richtigen Festelektrolytmaterialien zu finden. „Einen idealen einzelnen Festelektrolyten, der eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur mit einer breiten elektrochemischen Stabilität kombiniert, gibt es bisher nicht“, erklärt Dr. Thomas Schmaltz, leitender Wissenschaftler am Fraunhofer ISI und Mitautor der Arbeit. „Die Herausforderung besteht darin, alle gewünschten Eigenschaften in einem Material zu vereinen.“ Dies hat Forscher dazu veranlasst, hybride Festelektrolytsysteme zu erforschen, die die Vorteile verschiedener Verbindungen in einem Verbundmaterial vereinen. Die Wissenschaftler von Fraunhofer und Justus Liebig entwerfen eine Roadmap für die Entwicklung, die auf drei Hauptklassen von Festelektrolytmaterialien basiert: Polymere, Sulfide und Oxide. Jede Kategorie hat Kompromisse. Polymere bieten eine bessere Elastizität, weisen jedoch bei Raumtemperatur eine geringere Ionenleitfähigkeit auf. Sulfide weisen eine hervorragende Leitfähigkeit auf, weisen jedoch eine geringe elektrochemische Stabilität auf. Oxide weisen eine hohe Stabilität auf, weisen jedoch keine Leitfähigkeit auf. Clevere Kombinationen dieser Materialien erweisen sich als vielversprechender Weg zur Entwicklung eines optimalen Festelektrolyten. „Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten auf der Kathodenseite durch einen Feststoff ist die größere Herausforderung“, sagt Dr. Jürgen Janek, Direktor des Zentrums für Materialforschung der Justus-Liebig-Universität und Mitautor der Studie. „Um mit Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren zu können, benötigt der feste Kathodenelektrolyt in einer Hochleistungs-Festkörperbatterie Ionenleitfähigkeiten über 10 mS/cm.“ Das ist eine große Herausforderung für jedes vorhandene Festelektrolytmaterial. Aber neue Materialentdeckungen und Innovationen bei Verbundsystemen könnten bald dorthin gelangen. Die Forscher verweisen auf jüngste Fortschritte wie die Entdeckung von Li im Jahr 2020
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5 Gläser mit Leitfähigkeiten über 10 mS/cm. Es könnten noch weitere Überraschungen auf uns zukommen. Die Experten von Fraunhofer und Justus Liebig sehen in Festkörperbatterien keine totale Batterierevolution, sondern den nächsten Schritt in einer schrittweisen Evolution. Frühe Festkörperbatterien werden wahrscheinlich ähnliche Kathodenmaterialien verwenden wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. „Es ist durchaus möglich, dass die gleichen Kathodenaktivmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten verwendet werden, auch für Lithium-basierte Festkörperbatterien denkbar oder bereits implementiert sind“, schreiben die Forscher. Aber die Kombination dieser Kathoden mit Lithium-Metall- oder Siliziumanoden, die durch Festelektrolyte ermöglicht werden, könnte zu erheblichen Sprüngen in der Energiedichte führen. Ihre Roadmap zeigt, dass Festkörperbatterien mit Lithium-Metallanoden und entweder Sulfid- oder Oxid-Festelektrolyten zwischen 2025 und 2030 die Pilotproduktion erreichen. Unternehmen wie Toyota haben bereits über Prototypen berichtet, die hohe Laderaten, längere Zyklen und ausreichende Energiedichten für Anwendungen in Elektrofahrzeugen aufweisen , Samsung SDI, SVolt und Solid Power.
Grafische Darstellungen vielversprechender SSB-Zellkonzepte basierend auf a) eigenständigem Sulfid-SE (orange) mit LMA, b) eigenständigem Sulfid-SE (orange) mit Siliziumanode, c) Hybridaufbau mit nicht spezifiziertem SE als Katholyt und Separator (violett) und Darstellung des Trend zur Zugabe bestimmter Mengen an Flüssigkeiten oder Gelen (türkiser Katholyt), d) Oxid-SE-Separator (blau) mit nichtoxidischem Katholyt (nicht spezifiziert, violett) und e) eigenständiges Polymer-SE (grün) mit LMA. (CC: Stromkollektor; SE: Festelektrolyt; CAM: aktives Kathodenmaterial; LMA: Lithiummetallanode; NMC: LiNi1−x−yMnxCoyO2; LFP: LiFePO4.) (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Weitere inkrementelle Schritte umfassen hybride Fest-Flüssig-Batterien, die eine kleine Menge flüssigen Elektrolyten enthalten, um die Leitung und den Grenzflächenkontakt zu unterstützen. Diese beeinträchtigen zwar die Sicherheit, verbessern aber die Herstellbarkeit. Als Übergangslösung gehen die Forscher davon aus, dass hybride Konzepte in den nächsten Jahren einen nennenswerten Produktionsmaßstab erreichen werden. Das langfristige Ziel bleiben jedoch Festkörper-Lithium-Metall-Batterien. Diese stehen vor gewaltigen Herstellungshürden im Massenmarktmaßstab sowie unbeantworteten wissenschaftlichen Fragen zur Dendritenunterdrückung und Elektrolytadhäsion. Dennoch sind die Entwicklungen rasant. „Mittlerweile geht es in der Branche rasant voran, Ankündigungen für eine Produktionskapazität von fast 300 GWh liegen bereits vor“, stellen die Forscher fest. Sie gehen nicht davon aus, dass Festkörperbatterien Lithium-Ionen-Batterien sofort verdrängen werden, gehen aber davon aus, dass sie im nächsten Jahrzehnt kontinuierlich Marktanteile gewinnen werden. Durch kontinuierliche Forschungsfortschritte, Fortschritte in der Fertigung und disziplinierte Technik sind Festkörperbatterien auf dem besten Weg, der Hochenergie-Erbe des heutigen Lithium-Ionen-Throns zu werden.
Grafische Darstellungen a) einer hochmodernen Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem Elektrolyt und b) einer Festkörperbatterie mit Lithium-Metallanode. (CC: Stromkollektor; LE: Flüssigelektrolyt, SE: Festelektrolyt; AAM/CAM: aktives Anoden- bzw. Kathodenmaterial; LMA: Lithiummetallanode). (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Seit über drei Jahrzehnten haben Innovationen bei Lithium-Ionen-Batterien deren Leistung stetig verbessert. Doch grundlegende Einschränkungen ihrer flüssigen Elektrolyte – dem Medium, das Lithiumionen zwischen Anode und Kathode transportiert – sind zu Hindernissen für weitere Fortschritte geworden. Brennbare flüssige Elektrolyte stellen Sicherheitsrisiken dar, insbesondere wenn höhere Energiedichten angestrebt werden. Sie begrenzen auch die verwendbaren Materialien für die Anode. Graphit dominiert heute kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien, aber neue Anodenmaterialien mit hoher Kapazität wie Lithiummetall und Silizium könnten in Kombination mit einem nicht brennbaren Festelektrolyten große Sprünge in der Energiedichte ermöglichen. Der Verzicht auf eine Flüssigkeit durch einen Feststoff würde Bedenken hinsichtlich der Entflammbarkeit beseitigen, die Verwendung von Lithiummetall- oder Siliziumanoden ermöglichen und neue Möglichkeiten für die Batterieoptimierung eröffnen. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, die richtigen Festelektrolytmaterialien zu finden. „Einen idealen einzelnen Festelektrolyten, der eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur mit einer breiten elektrochemischen Stabilität kombiniert, gibt es bisher nicht“, erklärt Dr. Thomas Schmaltz, leitender Wissenschaftler am Fraunhofer ISI und Mitautor der Arbeit. „Die Herausforderung besteht darin, alle gewünschten Eigenschaften in einem Material zu vereinen.“ Dies hat Forscher dazu veranlasst, hybride Festelektrolytsysteme zu erforschen, die die Vorteile verschiedener Verbindungen in einem Verbundmaterial vereinen. Die Wissenschaftler von Fraunhofer und Justus Liebig entwerfen eine Roadmap für die Entwicklung, die auf drei Hauptklassen von Festelektrolytmaterialien basiert: Polymere, Sulfide und Oxide. Jede Kategorie hat Kompromisse. Polymere bieten eine bessere Elastizität, weisen jedoch bei Raumtemperatur eine geringere Ionenleitfähigkeit auf. Sulfide weisen eine hervorragende Leitfähigkeit auf, weisen jedoch eine geringe elektrochemische Stabilität auf. Oxide weisen eine hohe Stabilität auf, weisen jedoch keine Leitfähigkeit auf. Clevere Kombinationen dieser Materialien erweisen sich als vielversprechender Weg zur Entwicklung eines optimalen Festelektrolyten. „Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten auf der Kathodenseite durch einen Feststoff ist die größere Herausforderung“, sagt Dr. Jürgen Janek, Direktor des Zentrums für Materialforschung der Justus-Liebig-Universität und Mitautor der Studie. „Um mit Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren zu können, benötigt der feste Kathodenelektrolyt in einer Hochleistungs-Festkörperbatterie Ionenleitfähigkeiten über 10 mS/cm.“ Das ist eine große Herausforderung für jedes vorhandene Festelektrolytmaterial. Aber neue Materialentdeckungen und Innovationen bei Verbundsystemen könnten bald dorthin gelangen. Die Forscher verweisen auf jüngste Fortschritte wie die Entdeckung von Li im Jahr 20202SP
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5 Gläser mit Leitfähigkeiten über 10 mS/cm. Es könnten noch weitere Überraschungen auf uns zukommen. Die Experten von Fraunhofer und Justus Liebig sehen in Festkörperbatterien keine totale Batterierevolution, sondern den nächsten Schritt in einer schrittweisen Evolution. Frühe Festkörperbatterien werden wahrscheinlich ähnliche Kathodenmaterialien verwenden wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. „Es ist durchaus möglich, dass die gleichen Kathodenaktivmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten verwendet werden, auch für Lithium-basierte Festkörperbatterien denkbar oder bereits implementiert sind“, schreiben die Forscher. Aber die Kombination dieser Kathoden mit Lithium-Metall- oder Siliziumanoden, die durch Festelektrolyte ermöglicht werden, könnte zu erheblichen Sprüngen in der Energiedichte führen. Ihre Roadmap zeigt, dass Festkörperbatterien mit Lithium-Metallanoden und entweder Sulfid- oder Oxid-Festelektrolyten zwischen 2025 und 2030 die Pilotproduktion erreichen. Unternehmen wie Toyota haben bereits über Prototypen berichtet, die hohe Laderaten, längere Zyklen und ausreichende Energiedichten für Anwendungen in Elektrofahrzeugen aufweisen , Samsung SDI, SVolt und Solid Power.
Grafische Darstellungen vielversprechender SSB-Zellkonzepte basierend auf a) eigenständigem Sulfid-SE (orange) mit LMA, b) eigenständigem Sulfid-SE (orange) mit Siliziumanode, c) Hybridaufbau mit nicht spezifiziertem SE als Katholyt und Separator (violett) und Darstellung des Trend zur Zugabe bestimmter Mengen an Flüssigkeiten oder Gelen (türkiser Katholyt), d) Oxid-SE-Separator (blau) mit nichtoxidischem Katholyt (nicht spezifiziert, violett) und e) eigenständiges Polymer-SE (grün) mit LMA. (CC: Stromkollektor; SE: Festelektrolyt; CAM: aktives Kathodenmaterial; LMA: Lithiummetallanode; NMC: LiNi1−x−yMnxCoyO2; LFP: LiFePO4.) (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Weitere inkrementelle Schritte umfassen hybride Fest-Flüssig-Batterien, die eine kleine Menge flüssigen Elektrolyten enthalten, um die Leitung und den Grenzflächenkontakt zu unterstützen. Diese beeinträchtigen zwar die Sicherheit, verbessern aber die Herstellbarkeit. Als Übergangslösung gehen die Forscher davon aus, dass hybride Konzepte in den nächsten Jahren einen nennenswerten Produktionsmaßstab erreichen werden. Das langfristige Ziel bleiben jedoch Festkörper-Lithium-Metall-Batterien. Diese stehen vor gewaltigen Herstellungshürden im Massenmarktmaßstab sowie unbeantworteten wissenschaftlichen Fragen zur Dendritenunterdrückung und Elektrolytadhäsion. Dennoch sind die Entwicklungen rasant. „Mittlerweile geht es in der Branche rasant voran, Ankündigungen für eine Produktionskapazität von fast 300 GWh liegen bereits vor“, stellen die Forscher fest. Sie gehen nicht davon aus, dass Festkörperbatterien Lithium-Ionen-Batterien sofort verdrängen werden, gehen aber davon aus, dass sie im nächsten Jahrzehnt kontinuierlich Marktanteile gewinnen werden. Durch kontinuierliche Forschungsfortschritte, Fortschritte in der Fertigung und disziplinierte Technik sind Festkörperbatterien auf dem besten Weg, der Hochenergie-Erbe des heutigen Lithium-Ionen-Throns zu werden.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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