Reines Lithium gilt als favorisiertes Material für Batterien, doch seltene Defekte können mitunter für Kurzschlüsse und Brandgefahr sorgen. Jetzt liefert ein chinesisches Forscherteam eine vergleichsweise einfache Lösung für dieses Problem. Ein hauchdünner Flüssiganstrich soll Akkus von innen schützen und obendrein den Weg für Festkörperbatterien frei machen.
Aktuell kommt bei der Batterieherstellung überwiegend reines Lithium zum Einsatz. Doch dieses bildet beim Laden winzige, baumartige Nadeln – sogenannte Dendriten. Diese Stacheln können herkömmliche Barrieren in der Zelle durchbohren, Kurzschlüsse auslösen und im schlimmsten Fall sogar Brände verursachen. Bislang stand dieses Problem extrem leistungsstarken Festkörperbatterien im Weg. Eine potenzielle Lösung kommt nun aber aus China.
Ein Forscherteam der Xidian-Universität entwickelte einen einfachen Flüssiganstrich. Diese „chemische Rüstung“ basiert auf einem fluorhaltigen Silikonpolymer und Indiumchlorid. Einmal aufgetragen, reagiert die Mixtur direkt auf dem Metall und bildet eine schützende Hybridschicht. Das Besondere daran ist, dass der Film lediglich zwölf Mikrometer misst. Dennoch bleibt er flexibel und haftet fest an der Lithiumoberfläche. Somit stört die Schicht die Prozesse im Akku nicht, macht ihn aber drastisch robuster – so zumindest das Versprechen.
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So schützt die Rüstung die Festkörperbatterie von innen
Im Inneren der Batterie leistet die Beschichtung Schwerstarbeit. Das elastische Polymernetz federt mechanische Spannungen ab, die beim Laden unausweichlich sind. Denn währenddessen dehnt sich die Zelle aus und zieht sich anschließend wieder zusammen. In der vorgestellten Schutzschicht soll die gebildete Lithiumfluorid-Phase als Isolator dienen und Elektronen blockieren, damit erst gar keine neuen Dendriten entstehen können.
Nanopartikel aus einer Lithium-Indium-Legierung fungieren zudem als mikroskopische „Verkehrslotsen“. Sie verteilen die ankommenden Lithium-Ionen gleichmäßig, anstatt sie zu Spitzen auftürmen zu lassen. Die vorgestellten Zahlen aus dem Labor erscheinen vielversprechend.
Die geschützte Anode widersteht offenbar einer kritischen Stromdichte von 3,5 mA cm⁻². Das ist mehr als viermal so viel wie bei ungeschütztem Lithium, das bereits bei 0,8 mA cm⁻² versagt. Und auch nach 300 Ladezyklen in Vollzellen mit Sulfid-Festkörperelektrolyt blieben den Angaben zufolge noch 82,3 Prozent der ursprünglichen Kapazität erhalten. Ungeschützte Zellen erreichten im gleichen Testlauf danach lediglich noch 43 Prozent.
Was bedeutet das konkret für die Zukunft?
Lithium-Metall bietet eine theoretische Energiespeicherkapazität, die nahezu zehnmal höher ist als die von Graphit in aktuellen Smartphones und Elektroautos. Gepaart mit Feststoff-Elektrolyten soll auch quasi keine Brandgefahr mehr bestehen. Damit könnten künftige E-Autos nicht nur eine deutlich leichtere Festkörperbatterie mit großer Reichweite erhalten, sondern auch Ladezeiten, die mit heutigen Tankstopps vergleichbar sind.
Und das bei einer Akkulebensdauer, die mehrere Jahrzehnte betragen könnte. Auch für die Luftfahrt und große stationäre Stromspeicher für erneuerbare Energien kann das ein Fortschritt sein. Außerdem erfordert die flüssige Beschichtung keine teuren Vakuumkammern.
Sie lässt sich per Standardverfahren wie Schlitzdüsen- oder Tiefdruck in gängige Roll-to-Roll-Produktionslinien integrieren. Im Laborversuch überstanden die Vollzellen bereits 300 Ladezyklen mit hoher verbleibender Kapazität. Das Team sieht in dem Ansatz zudem eine Grundlage, um künftig auch alternative Metalle wie Zinn oder Zink für solche Schutzschichten zu erproben.
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