Batterietechnik Wie lassen sich Festkörperbatterien leistungsfähiger gestalten?

An der Frage nach der Leistungsfähigkeit einer Festkörperbatterien arbeitet das Max-Planck-Institut für Polymerforschung zusammen mit japanischen Universitäten. Dabei wurden vor allem Raumladungseffekte untersucht, die beim Laden und Entladen zusätzlichen Widerstand verursachen.

Insbesondere für die Elektromobilität verspricht man sich durch den Einsatz von Festkörperbatterien mehr Speicherkapazität und mehr Sicherheit. Denn sie verwenden keinen flüssigen Elektrolyten mehr, sondern einen festen. Die Batterien können daher nicht auslaufen, und auch die Brandgefahr wird erheblich minimiert. Nun arbeitet das Max-Planck-Institut für Polymerforschung zusammen mit japanischen Universitäten daran, Feststoffbatterien leistungsfähiger zu machen. „Eine Batterie ist eine Art Pumpe“, erklärt Rüdiger Berger, Gruppenleiter am MPI-P. „Im Inneren bewegen sich Ionen, also geladene Atome, was außen durch einen Elektronenfluss und damit einen Stromfluss ausgeglichen werden muss.“ Wenn die Ionen in der Batterie wandern, kann an den inneren Grenzflächen der Batterie eine Raumladungsschichten entstehen. Diese stoßen die anderen wandernden Ionen ab. Sie erzeugt zusätzlichen Widerstand und damit Verluste innerhalb der Batterie – sie behindert sowohl den Lade- als auch den Entladevorgang. Wie das Max-Planck-Institut nun herausgefunden hat, tritt der Effekt vor allem an der positiven Elektrode auf, wo sich eine weniger als 50 Nanometer dicke Ladungsschicht bildet. Darüber hinaus hat man quantitativ festgestellt, dass die Raumladungsschicht dynamisch ist, das heißt, sie hängt vom Ladezustand der Batterie ab. Diese Raumladungsschicht macht etwa 7 Prozent des Gesamtwiderstands der Batterie aus, kann aber – je nach den für den Elektrolyten verwendeten Materialien – auch größer sein.

Zwei neue mikroskopische Methoden

Bislang war wenig über die Größe dieser Ladungsschicht und ihren Einfluss auf den Stromfluss bekannt. Verschiedene Forschungsteams weltweit haben diesen Effekt bereits untersucht, kamen jedoch je nach verwendeter Methode zu völlig unterschiedlichen Größenordnungen für die Dicke der Ladungsschicht. Das Forschungsteam untersuchte deshalb mit zwei mikroskopischen Methoden, wo und wie sich die Ladeschicht bildet. Die Herausforderung bestand darin, die Grenzschicht einer Modellbatterie mit mikroskopischen Methoden im laufenden Betrieb und bei unterschiedlichen Ladezuständen zu untersuchen.

Dazu bauten sie eine Dünnschicht-Modellbatterie und untersuchten sie mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie und der Nuclear Reaction Analysis. Mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie konnten sie den Querschnitt der Batterie mit einer feinen Nadel abtasten, mehr über den lokalen Einfluss der Spannung erfahren und elektrische Potenziale in Echtzeit beobachten. Mit der Nuclear Reaction Analysis ließ sich die Anreicherung von Lithium an der Grenzfläche zum Pluspol der Batterie nachweisen. „Beide Techniken sind neu in der Batterieforschung und können in Zukunft auch für andere Fragestellungen eingesetzt werden“, unterstreicht Taro Hitosugi von der Universität Tokio. Mit weiteren Untersuchungen hofft man, durch Modifizierung des Materials oder der Struktur der Elektrode einen Weg zu finden, den Widerstand zu reduzieren und die Leistung von Feststoffbatterien weiter zu steigern. (se)

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