Schnell­ladefähige Feststoffzelle

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Akkus mit festem Elektrolyten sind die große Hoffnung der Elektromobilität. Ein neues Konzept soll sie jetzt endlich auch fit für Turbo-Ladesäulen machen.

Festkörperbatterien werden aktuell mit Hochdruck als Energiespeicher für die Elektrofahrzeuge der übernächsten Generation entwickelt. Darüber hinaus profitieren auch die Medizintechnik und der Bereich „Smart Home“ von einer längeren Betriebsdauer und dem sicheren Betrieb. Und da sich die Feststoffzelle im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus bei Beschädigung nicht übermäßig erhitzt oder sogar explodiert, stellt sie ebenso für Smartphones und andere mobile Computer eine gute Alternative dar.

Die geringe Stromstärke gilt jedoch nach wie vor als einer ihrer Knackpunkte. Sie führt dazu, dass Feststoffbatterien (Solid-State-Batterien) bislang erst nach 10 bis 12 Stunden wieder voll sind. Ein neuer Zelltyp vom Forschungszentrum Jülich benötigt jetzt weniger als eine Stunde dazu.

Feststoffzelle mit hohem Ladestrom

Die geringen Lade-und Entladeströme bisheriger Konzepte lassen sich auf Probleme an den internen Festkörper-Grenzflächen zurückführen. Im Gegensatz dazu kontaktiert der flüssige Elektrolyt in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien die Elektroden in der Regel optimal. Mit ihrer strukturierten Oberfläche nehmen die Elektroden die Flüssigkeit auf wie ein Schwamm, wodurch eine große Kontaktfläche entsteht. Zwei Festkörper lassen sich prinzipiell nicht derart lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt fällt entsprechend höher aus.

Das patentierte Verfahren aus Jülich mindert nun diesen Nachteil durch eine optimierte Materialkombination. Für einen möglichst großen Stromfluss über die Schichtgrenzen hinweg haben die Wissenschaftler alle Komponenten aus sehr ähnlichen Materialien aufgebaut. Anode, Kathode und Elektrolyt wurden jeweils aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt. Diese ermöglichen Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 Milliamperestunden pro Gramm). Das ist zehnmal höher als die Werte, die man sonst in der Fachliteratur findet. „C“ entspricht dabei der Kapazität der Feststoffzelle in Amperestunden (Ah).

Ungiftige Elektrolyten

Als stabiles Trägermaterial dient der feste Elektrolyt, auf den die Phosphat-Elektroden beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden. Die verwendeten Materialien sind recht preisgünstig zu haben und relativ leicht zu verarbeiten. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien kommt die neue Festkörperbatterie zudem weitgehend ohne giftige oder bedenkliche Stoffe aus.

In ersten Tests erwies sich die Batteriezelle aus Jülich über 500 Lade- und Entladezyklen als recht stabil und verfügte danach immer noch über 84 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Theoretisch sollte allerdings sogar ein Verlust von unter einem Prozent machbar sein. Die Energiedichte ist mit aktuell rund 120 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) schon sehr hoch, auch wenn sie noch etwas unter der von heutigen Lithium-Ionen-Batterien liegt.

 


Finden Sie die passende Stromversorgung in den Hallen A5/A6.

 

 

 

 

 

 

Feststoffzelle (Bild: Forschungszentrum Jülich/Regine Panknin).

Mitte des kommenden Jahrzehnts sollen sich die Feststoffbatterien durchsetzen. (Bild: Forschungszentrum Jülich/Regine Panknin).