Neues Verfahren für stabile und langlebige Festkörperbatterien

Festkörperbatterien gelten als vielversprechende Lösung für Elektromobilität, mobile Elektronik und stationäre Energiespeicherung – unter anderem, weil sie keine brennbaren flüssigen Elektrolyte benötigen und daher grundsätzlich sicherer sind als herkömmliche Lithiumionen-Batterien. 

Allerdings stehen zwei zentrale Probleme der Marktreife im Weg: Einerseits bleibt die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode ein kritischer Punkt – winzige nadelartige Metallstrukturen, die den lithiumionenleitenden Festelektrolyten zwischen den Elektroden durchdringen, sich in Richtung Kathode ausbreiten und letztlich interne Kurzschlüsse verursachen. Andererseits besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt.

Um diese beiden Hindernisse zu überwinden, entwickelte das Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am Paul Scherrer Institut PSI, ein neues Fertigungsverfahren: «Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren», so der Wissenschaftler. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team im Wissenschaftsjournal Advanced Science.

Das Problem mit der Verdichtung

Im Mittelpunkt der PSI-Studie steht der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl (LPSCl), ein sulfidbasierter Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel. Das Mineral weist eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit auf, was einen schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie ermöglicht – eine wesentliche Voraussetzung für hohe Leistung und effiziente Ladeprozesse. Das macht Argyrodit-basierte Elektrolyten zu vielversprechenden Kandidaten für Festkörperbatterien. Die Umsetzung scheiterte jedoch bisher daran, das Material ausreichend zu verdichten, sodass keine Hohlräume entstehen, in die Lithiumdendriten eindringen könnten.

Zur Verdichtung des Festelektrolyten setzten Forschungsgruppen bislang auf zwei Ansätze: Entweder pressten sie das Material bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck oder sie wendeten Heisspressverfahren an, die Druck mit Temperaturen von über 400 Grad Celsius kombinieren. Beim letzteren Prozess, dem sogenannten klassischen Sintern, werden die Partikel durch die Anwendung von Wärme und Druck zu einer dichteren Struktur verschmolzen.

Beide Methoden führten jedoch zu unerwünschten Nebenwirkungen: Das Pressen bei Raumtemperatur ist unzureichend, weil es zu einer porösen Mikrostruktur und übermässigem Kornwachstum führt. Die Verarbeitung bei sehr hohen Temperaturen wiederum birgt das Risiko, dass der Festelektrolyt zersetzt wird. Um einen robusten Elektrolyten sowie eine stabile Grenzfläche zu erhalten, mussten die PSI-Forschenden daher einen neuen Ansatz verfolgen.

Der Temperatur-Trick

Um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, bezogen El Kazzi und sein Team den Faktor Temperatur zwar mit ein, allerdings auf behutsamere Weise: Anstelle des klassischen Sinterverfahrens wählten sie einen schonenderen Ansatz, bei dem das Mineral unter mässigem Druck und bei moderater Temperatur von nur etwa 80 Grad Celsius gepresst wurde. Dieses sanfte Sintern führte zum Erfolg: Die moderate Wärme und der ausgeübte Druck sorgten dafür, dass sich die Partikel wie gewünscht anordneten, ohne die chemische Stabilität des Materials zu verändern. Die Partikel im Mineral gingen enge Bindungen miteinander ein, poröse Stellen wurden kompakter und kleine Hohlräume schlossen sich. Das Ergebnis ist eine kompakte, dichte Mikrostruktur, die gegen das Eindringen von Lithium-Dendriten gewappnet ist. In dieser Form ist der Festelektrolyt bereits bestens für einen schnellen Lithiumionen-Transport geeignet. 

Die sanfte Sinterung allein reichte aber nicht aus. Um auch bei hohen Stromdichten, wie sie beim schnellen Laden und Entladen auftreten, zuverlässig zu funktionieren, benötigte die Festkörperzelle eine weitere Modifikation. Dazu wurde eine 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid (LiF) unter Vakuum verdampft und gleichmässig als ultradünner Film auf die Lithium-Oberfläche aufgetragen – sie dient als Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt. 

Diese Zwischenschicht erfüllt eine doppelte Funktion: Einerseits verhindert sie die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt so die Bildung von «totem», inaktivem Lithium. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.

Bestwerte nach 1500 Durchgängen

In Laborversuchen mit Knopfzellen zeigte die Batterie unter anspruchsvollen Bedingungen eine aussergewöhnliche Leistung. «Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert», sagt Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Nach 1500 Auf- und Entladevorgängen hatte die Zelle noch etwa 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. Es wanderten also immer noch drei Viertel der Lithiumionen von der Kathode zur Anode. «Ein herausragendes Ergebnis. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden.» Zhang sieht deshalb gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt in puncto Energiedichte und Haltbarkeit bald übertreffen könnten. 

El Kazzi und sein Team zeigen damit erstmals, dass die Kombination aus mildem Sintern des Festelektrolyten und einer dünnen Passivierungsschicht auf der Lithium-Anode sowohl die Dendritenbildung als auch die Grenzflächeninstabilität wirksam unterdrückt – zwei der hartnäckigsten Herausforderungen bei Festkörperbatterien. Diese kombinierte Lösung markiert einen wichtigen Fortschritt für die Festkörperbatterieforschung – auch, weil sie ökologische und wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt: Aufgrund der niedrigen Temperaturen spart der Prozess Energie und damit Kosten. «Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis», so El Kazzi. «Noch ein paar zusätzliche Anpassungen – und wir könnten loslegen.»