Chinesische Wissenschaftler erzielen Durchbruch in der Forschung zu Festkörper-Lithiumbatterien

Stellen Sie sich vor, Ihr Smartphone-Akku wäre nicht nur sicherer und kleiner, sondern würde mit einer einzigen Ladung auch viel länger halten – das wäre doch unglaublich! Kürzlich gelang einem Forschungsteam des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein neuer Durchbruch auf dem Gebiet der Festkörper-Lithiumbatterien. Dieser Fortschritt könnte den Traum von miniaturisierten, langlebigen elektronischen Geräten möglicherweise Wirklichkeit werden lassen. Die Ergebnisse wurden am 31. Juli in der internationalen Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Lithium-Ionen-Batterien, die Smartphones, Laptops und andere elektronische Geräte mit Strom versorgen, speichern und geben Energie normalerweise mithilfe flüssiger Elektrolyte ab. Wissenschaftler erforschen nun einen neuen Batterietyp – die Festkörper-Lithiumbatterie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien verwenden diese Batterien feste statt flüssige Elektrolyte, was sie sicherer und weniger anfällig für Lecks oder Brände macht.

Obwohl Festkörper-Lithiumbatterien ideal klingen, stehen sie bei der Entwicklung vor mehreren Herausforderungen. Das Hauptproblem liegt in der Schwierigkeit, eine perfekte chemische und physikalische Kompatibilität zwischen verschiedenen Materialien innerhalb der Kathode der Batterie zu erreichen, was zu verschiedenen Grenzflächenproblemen führt, die sich auf die Energiedichte und Lebensdauer auswirken können. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam ein neues Material – homogenes Kathodenmaterial (Lithium-Titan-Germanium-Phosphor-Schwefel-Selen, LTGPSSe).

Dieses neue Material bietet gegenüber herkömmlichen Materialien mehrere Vorteile:

1. Hohe Leitfähigkeit: Das neue Material zeichnet sich durch eine hohe ionische und elektronische Leitfähigkeit aus, die die von herkömmlichen Kathodenmaterialien (Schichtoxid-Kathodenmaterialien) um mehr als das 1.000-fache übertrifft. Dies bedeutet, dass die Kathode den Lade- und Entladevorgang auch ohne leitfähige Zusatzstoffe effizient abschließen kann, was die Gesamtleistung der Batterie deutlich verbessert.

2. Hohe Entladekapazität: Die Entladekapazität des neuen Materials erreicht 250 mAh/g und übertrifft damit die derzeit verwendeten Kathodenmaterialien mit hohem Nickelgehalt. Dadurch kann die Batterie bei gleichem Gewicht oder Volumen mehr Energie speichern, was ihre Betriebszeit zwischen den Ladevorgängen verlängert und die Entwicklung kompakterer Geräte ermöglicht.

3. Geringe Volumenänderung: Während der Lade- und Entladezyklen erfährt das neue Material nur eine Volumenänderung von 1,2 %, was viel weniger ist als die 50 %, die bei herkömmlichen Materialien (Schichtoxid-Kathodenmaterialien) zu beobachten sind. Diese minimale Volumenänderung trägt dazu bei, die strukturelle Stabilität aufrechtzuerhalten und verlängert so die Lebensdauer der Batterie.

4. Hohe Energiedichte: Die Energiedichte von Festkörper-Lithiumbatterien mit diesem neuen Material erreicht 390 Wh/kg und ist damit 1,3-mal höher als die der derzeit gemeldeten Festkörper-Lithiumbatterien mit langer Zyklendauer.

5. Lange Lebensdauer: Festkörper-Lithiumbatterien aus diesem Material erreichen über 10.000 Zyklen bei langer Lebensdauer. Selbst nach 5.000 Ladezyklen behält die Batterie 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität und liefert über einen längeren Zeitraum ausreichend Leistung.

Diese Forschung bietet entscheidende technologische Unterstützung für die Entwicklung von Energiespeichern mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer und stellt sichere und langlebige Energiequellen für Elektrofahrzeuge, Energiespeichernetze sowie Tiefsee- und Weltraumausrüstung bereit. Sie hat auch erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Energiespeichersysteme.