Was die Nutzer von Batterien verlangen, ist nicht viel: Sie sollen Energie liefern, wann immer und so lange sie gebraucht wird, sie lassen sich schnell aufladen und sollen nicht in Flammen aufgehen. Eine Reihe von Bränden erschütterte jedoch 2016 das Vertrauen der Verbaucher in die Lithium-Ionen-Technologie. Mit zunehmendem Interesse an Elektrofahrzeugen sind Forscher auf der Suche nach sicheren Batteriedesigns – ganz vorn dabei ist dabei die Festkörperbatterie, die auf den leicht entzündlichen, flüssigen Elektrolyt verzichtet.

Handelt es sich beim flüssigen Elektrolyten um einen zyklischen Ether, führt der Zusatz einer kationischen Aluminiumspezies zur Polymerisation und damit zur Verfestigung der Flüssigkeit.

Handelt es sich beim flüssigen Elektrolyten um einen zyklischen Ether, führt der Zusatz einer kationischen Aluminiumspezies zur Polymerisation und damit zur Verfestigung der Flüssigkeit. Qing Zhao, Cornell University

Um wichtige Einschränkungen in aktuellen Batteriedesigns zu überwinden, haben Forscher der Cornell-Universität ein Verfahren entwickelt, bei dem der flüssige Elektrolyt mit Molekülen versetzt wird, die eine Polymerisation initiieren und diesen damit verfestigen. Qing Zhao, Postdoc und Hauptautor der im Journal Nature Energy veröffentlichten Studie „Solid-State Polymer Electrolytes With In-Buildt Fast Interfacial Transport for Secondary Lithium Batteries“, beschreibt die Problemstellung: „Stellen Sie sich ein Glas voller Eiswürfel vor. Ein Teil des Eises wird das Glas berühren, aber es gibt Lücken. Aber wenn Sie das Glas mit Wasser füllen und einfrieren, werden die Schnittstellen vollständig beschichtet und es entsteht eine starke Verbindung zwischen der festen Oberfläche des Glases und seinem flüssigen Inhalt.“

Das gleiche Konzept ermöglicht in einer Batterie eine hohe Ionenübertragungsrate über die festen Oberflächen einer Batterieelektrode auf einen Elektrolyten, ohne dass eine brennbare Flüssigkeit zum Betrieb benötigt wird.

Technologie verhindert Dendrit-Wachstum

Handelt es sich beim Elektrolyt um einen zyklischen Ether, löst die Zugabe einer kationischen Aluminiumspezies eine ringöffnende Polymerisation innerhalb der elektrochemischen Zelle aus. Der Initiator reißt also den Ring auf und erzeug reaktive Monomerstränge, die sich zu langkettigen Molekülen mit im Wesentlichen der gleichen Chemie wie der Ether verbinden. Diese nun feste Polymer behält die engen Verbindungen an den Metallgrenzflächen.

Neben ihrer Relevanz für die Verbesserung der Batterie-sicherheit sind Festkörperelektrolyte auch für die nächste Generation von Batterien von Vorteil, die Metalle, einschließlich Lithium und Aluminium, als Anoden anwenden, um weitaus mehr Energiespeicherung zu erreichen, als dies mit der heutigen Batterietechnologie möglich ist. In diesem Zusammenhang verhindert der Festkörperelektrolyt, dass das Metall Dendriten bildet – ein Phänomen, das eine Batterie kurzschließen und zu Überhitzung und Ausfall führen kann.

„Unsere Ergebniss eröffnen einen völlig neuen Weg, um praktische Festkörperbatterien zu entwickeln, die in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden können“, sagte Senior-Autorin Lynden Archer von der Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Die neuartige In-situ-Strategie zur Herstellung des festen Elektrolyten sei vielversprechend für die Verlängerung der Lebensdauer und der Aufladefähigkeiten von wiederaufladbaren Metallbatterien mit hoher Energiedichte.