Sichere E-Mobilität Neuer Erfolg in Richtung leistungsfähiger Feststoffakkus

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Eine Lithiumkeramik könnte als fester Elektrolyt zu einer leitungsfähigeren und günstigeren Generation von Lithium-Ionen-Akkus führen, sagt die Gesellschaft Deutscher Chemiker.

Bei der Entwicklung von Akkus für Elektrofahrzeuge stehen zwei Faktoren im Vordergrund: Die Leistungsfähigkeit, die die Reichweite der Fahrzeuge bestimmt und die Kosten, die ausschlaggebend für die Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zum Verbrennungsmotor sind. Das US-Energieministerium will den Übergang von Verbrennern zu E-Fahrzeugen beschleunigen und hat bis 2030 ehrgeizige Ziele für Produktionskosten und Energiedichten von Akkus gesteckt. Mit konventionellen Lithiumionen-Akkus sind diese aber nicht zu erreichen, wie die Gesellschaft Deutscher Chemiker anmerkt.

Stärkeren und ungefährlicheren Akkus auf der Spur

Eine Alternative, um kleinere, leichtere und dennoch deutlich leistungsstärkere und sicherere Akkus zu erhalten, sind Festkörperzellen mit Anoden aus metallischem Lithium statt aus Grafit. Anders als bei üblichen Lithium-Ionen-Akkus, die einen flüssigen organischen Elektrolyten und eine Polymerfolie zur Trennung von Anoden- und Kathodenraum enthalten, sind bei Festkörperzellen alle Bestandteile fester Art. Eine dünne keramische Schicht fungiert bei ihnen gleichzeitig als Festelektrolyt und Separator, wie die Experten erklären. Die Keramikschicht wirke durch das Wachstum von Lithiumdendriten (verästelte Kristalle) sehr effektiv gegen gefährliche Kurzschlüsse und somit gegen das thermische „Durchgehen“. Auch gibt es eben keine leicht entflammbaren Flüssigkeiten.

Als keramischer Elektrolyt respektive Separator eignet sich das Mineral Lithiumgranat (Li7La3Zr2O12−d (LLZO)). Das Material muss allerdings mit der Kathode bei über 1.050 °C gesintert, werden, um das LLZO in die benötigte kubisch-kristalline Phase zu überführen, es ausreichend zu verdichten und fest an die Elektrode zu binden. Temperaturen ab 600 °C destabilisieren jedoch nachhaltige kobaltreduzierte und -freie Kathodenmaterialien und treiben auch noch die Produktionskosten sowie den Energieverbrauch in die Höhe, wie es weiter heißt. Neue günstigere, nachhaltigere Herstellungsmethoden sind für eine Kommerzialisierung aber unabdingbar.

Kobaltfreie Kathoden ohne Sinterprozess fertigen

Eine solche hat ein Team vom MIT in den USA und von der TU München im Rahmen eines neuen Syntheseverfahrens jetzt aber entwickelt, wie man betont. Der neue Ansatz geht dabei nicht von einer keramischen, sondern von einer flüssigen Vorläuferverbindung aus, die in einer sequenziellen Zersetzungssynthese eine direkte Verdichtung zum LLZO erlaubt. Um die Bedingungen für den Syntheseweg zu optimieren, analysierten die Wissenschaftler die mehrstufige Phasenumwandlung des LLZO von einer amorphen in die benötigte kristalline Form (cLLZO) mittels mehrerer Methoden (Raman-Spektroskopie, dynamische Differenzkalorimetrie) und stellten ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm auf.

Auf Basis der gewonnen Einblicke in den Kristallisationsprozess entwickelten sie eine Route, mit der durch 10-stündiges Glühen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 500 °C das cLLZO als dichter, fester Film erhalten wird – ganz ohne Sinterprozess. Für zukünftige Batteriedesigns erlaubt das Ganze erstmalig die Integration der Feststoff-LLZO Elektrolyte mit nachhaltigen Kathoden, die auf sozio-ökonomisch kritische Elemente, wie etwa Kobalt, verzichten könnten.

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