Festkörperbatterien gelten als Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von Energiespeichern. Sie könnten höhere Energiedichten, verbesserte Sicherheit und eine längere Lebensdauer bieten als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – Eigenschaften, die besonders für Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeicher entscheidend sind. In der Praxis lassen sich diese Vorteile bislang jedoch noch nicht vollständig nutzen.
Eine aktuelle Publikation im renommierten Journal Chemical Reviews – einem der weltweit meistzitierten wissenschaftlichen Journale mit einem Impact Factor von 55,8 – analysiert die zentralen Mechanismen, die den Ionentransport in Festkörperbatterien limitieren; und beschreibt Strategien zur Verbesserung. Verfasst wurde sie von Jianneng Liang und Alberto Varzi vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU) sowie von Meisam Hasanpoor und Stefano Passerini vom AIT Austrian Institute of Technology.
Warum Festkörperbatterien noch nicht ihr volles Potenzial entfalten
Die Studie zeigt, dass einfache Substitution – etwa das Ersetzen flüssiger durch feste Elektrolyte – nicht automatisch zu leistungsfähigeren Batterien führen. Um die angestrebte hohe Energiedichte zu erreichen, müssen die Elektroden einen möglichst großen Anteil aktiven Materials enthalten. Gleichzeitig werden die Eigenschaften jedoch durch mehrere Faktoren begrenzt: Ionen können sich im festen Elektrolyten nur vergleichsweise langsam bewegen, die Kontaktflächen zwischen Elektrolyt und aktivem Material sind oft unzureichend, und auch der Lithium-Ionen-Transport im Inneren der Materialien verläuft träge. Hinzu kommen fertigungstechnische Herausforderungen. Entscheidend ist daher, den inneren Widerstand und die Transporthemmnisse für Lithium-Ionen im aktiven Material zu verringern. Nur so lassen sich höhere effektive Stromdichten erreichen und die für Festkörperbatterien typischen Nachteile reduzieren.
Zur Untersuchung der Mechanismen werden verschiedene hochentwickelte Bildgebungs- und Messverfahren eingesetzt, darunter hochauflösende Elektronenmikroskopie, Synchrotron-Röntgentechniken, Magnetresonanztomografie sowie Analysen auf Basis von Neutronenstrahlung. Diese Techniken erlauben es, Ionenbewegungen in Echtzeit zu beobachten, Engpässe zu identifizieren und strukturelle Schwächen in den Elektroden sichtbar zu machen.
Wege zu leistungsfähigeren Festkörperbatterien
Die Arbeit fasst auch Strategien zusammen, um den Ionentransport in Festkörperelektroden zu verbessern: die gezielte Partikelgestaltung durch Kombination kleiner Elektrolytpartikel mit größeren aktiven Partikeln, optimierte Elektrodenarchitekturen mit Schichten, Kanälen oder Materialgradienten, Grenzflächenoptimierung durch Beschichtungen oder Dotierungen sowie neue Fertigungsverfahren, insbesondere lösungsmittelfreie („dry“) Prozesse. Letztere stehen im Fokus des vom AIT geleiteten Projekts HyLiST, das leistungsfähigere und nachhaltigere Elektrolyte für Polymerbatterien entwickelt.
Die Publikation geht darüber hinaus auf die Herausforderungen der industriellen Fertigung ein. Festkörperbatterien sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Prozesschemikalien und es kommt zu mechanischen Spannungen, die während des Lade- und Entladezyklus zu Rissen und Kapazitätsverlust führen können. Die Arbeit liefert daher einen klaren Leitfaden, wie Materialauswahl, Elektrodenstruktur und Fertigungsprozesse zusammenspielen, um Festkörperbatterien langfristig stabil, leistungsfähig und industriell skalierbar zu machen.
Diese umfassende Übersichtsarbeit unterstützt die wissenschaftliche und industrielle Community dabei, Festkörperbatterien mit ultrahoher Energiedichte zu entwickeln, und zeigt Wege auf, wie die Technologie für Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeicher in die Praxis überführt werden kann.