Empa-Forschende haben einen festen Elektrolyten entwickelt, der auf einem dehnbaren Polymer basiert. Das skalierbare Material könnte bessere Feststoffbatterien ermöglichen und etwa in flexiblen Akkus für medizinische Anwendungen zum Einsatz kommen.
Flexibel: Der feste Elektrolyt auf der Basis von Silikon ist dehnbar und kompensiert dadurch die Hohlräume, die sich beim Laden und Entladen in Feststoffbatterien bilden.Empa
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In
den meisten Batterien ist der Elektrolyt eine brennbare Flüssigkeit.
Sogenannte Feststoffbatterien nutzen stattdessen einen Feststoff als
Elektrolyten. Das macht sie nicht nur sicherer, sondern erlaubt auch
die Verwendung alternativer Materialien für die Elektroden,
beispielsweise reines Lithiummetall für die Anode. Dadurch können
Festkörperbatterien potenziell viel höhere Energiedichten
erreichen, also mehr Strom pro Volumen speichern – ein Vorteil für
unterschiedliche Anwendungen, von Elektroautos bis hin zu tragbarer
Elektronik.
Doch
hat die vielversprechende Technologie noch einige Kinderkrankheiten,
die Forschung und Industrie vor Herausforderungen stellen.
Empa-Forschende aus dem Labor für Funktionspolymere arbeiten an
einem neuartigen Elektrolyten, der gleich in mehreren Punkten Abhilfe
schaffen könnte. Wo die meisten Elektrolyten für Feststoffbatterien
aus steifen Werkstoffen bestehen, ist dieser feste Elektrolyt weich
und dehnbar.
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Die Forschenden setzen den Elektrolyten probeweise in unterschiedliche Batterie-Prototypen ein. Neben Knopfzellen wie dieser sind in Zukunft auch weiche Batterien denkbar.Empa
Ionenleiter
auf Silikon-Basis
Hinter
der Innovation steckt clevere Chemie. Das Ausgangspolymer für den
Elektrolyten ist ein Polysiloxan, auch als Silikon bekannt. Der
elastische Kunststoff hat einen großen Nachteil für die
Batterieforschung: Er ist apolar. Die geladenen Teilchen, die Ionen,
lösen sich gar nicht in ihm auf. Forschenden ist es gelungen, das
Rückgrat des Polymers mit funktionalen Gruppen zu versehen, die es
zu einem guten Ionenleiter machen und dabei die elastischen
Eigenschaften bewahren.
Denn
die Elastizität ist eine große Stärke des Polymer-Elektrolyten.
Heutige Lithiumionenakkus verwenden eine Anode auf der Basis von
Lithiumsalzen. Mit reinem Lithiummetall als Anodenmaterial ließen
sich höhere Energiedichten erreichen. Beim Entladen der Batterie
wandern Lithiumionen aus der Anode ab und kehren beim Laden wieder
zurück. Dabei lagern sie sich allerdings nicht in einer
gleichmäßigen Schicht an der Oberfläche der Anode ab, sondern
bilden sogenannte Dendriten: baumartige Strukturen aus Lithium, die
innerhalb weniger Ladezyklen bis zur Kathode wachsen und so einen
Kurzschluss verursachen.
