Feststoffbatterie: Auf der Suche nach dem Super-Akku

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Maximale Energie auf minimalem Raum – das erfüllten lange Zeit Lithium-Ionen-Akkus. Doch moderne mobile Geräte und die Elektromobilität stellen höhere Anforderungen. Deren Stromhunger soll nun die Super-Batterie des 94jährigen Miterfinders der Lithium-Ionen-Technologie stillen.

Mobilität und Lithium-Ionen-Akkus waren immer ein gutes Team. Seit die Stromlieferanten mit der hohen Energiedichte 1991 erstmals in Sony’s Hi8-Videokamera die Bilder zum Laufen brachten, haben sie eine Unmenge elektronischer Geräte von der Steckdose befreit. Mittlerweile jedoch gilt die Technologie bei der Elektromobilität als Bremser und Smartphones hält sie nicht lange genug am Laufen oder fängt Feuer wie bei Samsung. Bessere Energiespeicher müssen also her. Kleiner, billiger, sicherer und ausdauernder.

Auf der Kandidatenliste weit oben stehen sogenannte Festkörperakkus (Solid-State-Batterien). Die Ladungen zwischen Anode und Kathode bewegen sich bei ihnen nicht durch eine Flüssigkeit, sondern durch ein Polymer, eine Keramik oder durch Glas. Und das geht überraschend schnell. Vereinfacht gesagt „hüpfen“ die Lithium-Ionen dabei von einer Leerstelle in der atomaren Kristallgitterstruktur zur nächsten. Dass der Vorgang ziemlich komplex ist, zeigten Forscher der TU Darmstadt schon 2013 bei Simulationen für Lithiumphosphatglas. Hohe Komplexität bedeutet aber eben auch viel Raum für Optimierungen.

Feststoffbatterie mit Vorteilen

Und so punkten die Akkus mit festen Elektrolyten mittlerweile mit einer ganzen Reihe von Vorteilen. Bei gleicher Größe speichern sie mehr Energie als aktuelle Lithium-Ionen-Akkus. Denn die Energiedichte hängt von der Lithium-Konzentration in der Anode ab. Zu viel davon führt aber in herkömmlichen Akkus besonders bei hohen Ladeströmen zu feinen Auswüchsen (Dendriten). Die können bis zur Kathode wachsen und einen Kurzschluss verursachen. Deswegen sind Anoden in Graphit eingepackt, was aber die Menge an speicherbarem Strom verringert. In Festkörperakkus kann man dagegen reines Lithium einsetzen.

Außerdem sind feste Elektrolyten sehr gute Isolatoren in Bezug auf Elektronen. Das minimiert die Selbstentladungsrate und verlängert die Lebensdauer. Ein weiteres Plus ist das kompakte Zelldesign mit deutlich weniger Totvolumen. Und: Feststoff-Elektrolyte sind nicht brennbar, thermisch stabil und sie laufen nicht aus.

Probleme gibt es allerdings auch. So vermindert die schlechtere spezifische Leitfähigkeit die Leistungsdichte. Feststoff-Elektrolyte mit Dicken von wenigen Mikrometern bieten sich hier als Lösung an. Schwieriger ist da schon die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten. Der hohe Widerstand verhindert das Fließen hoher Ströme, was sich negativ auf die Leistungsdichte auswirkt.

Batterie vom Vater der Lithium-Ionen-Technologie

Weltweit versucht man in Forschungslabors von Toyota, Samsung, Bosch, vom MIT, der ETH oder dem Forschungszentrum Jülich die neue Technologie serienreif zu machen.

Darunter auch der mittlerweile 94-jährige Miterfinder der Lithium-Ionen-Technologie John Goodenough mit seine Forschungsgruppe von der Universität Texas in Austin. Er scheint mit einem Glas-Elektrolyten viele Hindernisse zumindest im Labor aus dem Weg geräumt zu haben. Die Energiedichte seines Akkus übertrifft die aktueller Lithium-Ionen-Akkus um das Dreifache und die sensationellen Ladezeiten von einer Minute kannte man bislang nur von Superkondensatoren. Auch 1.200 Ladezyklen ohne wesentliche Leistungseinbußen können sich sehen lassen. Und da Glas bei tiefen Temperaturen leitfähig bleibt, funktioniert die Feststoffbatterie aus Texas bis – 60° C.

Bis der Wunderakku in einem Elektromobil landen wird, dürften noch viele Jahre ins Land gehen. Dazu kommt, dass „Durchbrüche“ in der Forschung mittlerweile an der Tagesordnung sind, Serienreife aber nur wenigen vergönnt ist.

 

 

 

 

Feststoffbatterie von Bosch (Bild Bosch)

Mit dem Start-up Seeo kaufte Bosch Know-how für den Bau neuartiger Feststoffbatterien. (Bild: Bosch).