Batterietechnik Neues Fertigungsverfahren für Festkörperbatterien

Festkörperbatterien gelten als eine vielversprechende Lösung insbesondere für die Elektromobilität. Allerdings gibt es einige Herausforderungen zu meistern, um eine stabile Lösung in den Markt einzuführen. Hier setzt die Forschungsarbeit des Paul Scherrer Instituts an.

Festkörperbatterien sind aufgrund der festen Elektrolyte sicherer, können mehr Energie speichern und schneller laden als herkömmliche Lithiumionen-Batterien. Mit diesen Vorteilen rücken sie insbesondere in den Fokus für die Elektromobilität. Allerdings stehen zwei zentrale Probleme der Marktreife im Weg: Einerseits bleibt die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode ein kritischer Punkt und zum anderen besteht eine elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten, was die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie beeinträchtigt. Das Paul Scherrer Institut (PSI) hat daher an einem neuen Fertigungsverfahren gearbeitet, wie Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am PSI betont: „Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren.“

Sulfid-basierender Festelektrolyt aus Lithium, Phosphor und Schwefel

Im Mittelpunkt der PSI-Studie steht der Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl (LPSCl), ein Sulfid-basierender 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. Damit eignet sich dieser Elektrolyten 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 wurde bislang auf zwei Ansätze gesetzt: Entweder presste man das Material bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck oder es kam ein Heißpressverfahren zum Einsatz, das Druck mit Temperaturen von über 400 °C kombinierte – also klassisches Sintern. Hierbei werden die Partikel durch die Anwendung von Wärme und Druck zu einer dichteren Struktur verschmolzen. Beide Methoden weise jedoch unerwünschten Nebenwirkungen auf: 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.

Temperatur als entscheidender Faktor

Um Argyrodit zu einem homogenen Elektrolyten zu verdichten, bezog das PSI den Faktor Temperatur zwar mit ein, allerdings auf behutsamere Weise: Anstelle des klassischen Sinterverfahrens setzte man auf einen schonenderen Ansatz, bei dem das Mineral unter mäßigem Druck und bei moderater Temperatur von etwa 80 °C 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 war jedoch nicht ausreichend. 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 nm 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 inaktivem Lithium. Andererseits wirkt sie als physikalische Barriere, die das Eindringen der Lithiumdendriten in den Festelektrolyten verhindert.

75 Prozent der ursprünglichen Kapazität nach 1.500 Durchgängen

In Laborversuchen mit Knopfzellen zeigte die Batterie unter anspruchsvollen Bedingungen eine gute – nach PSI-Aussagen sogar außerordentliche Leistung. „Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert“, freute sich Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Nach 1.500 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.

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“, unterstreicht El Kazzi und betont: „Noch ein paar zusätzliche Anpassungen – und wir könnten loslegen." (se)

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