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Feststoffbatterien sind sicherer als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien.
Feststoffbatterien sind sicherer als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien.

Darum werden Feststoff-Akkus die heutigen Lithium-Ionen-Batterien ablösen

Noch sind Lithium-Ionen-Batterien praktisch konkurrenzlos. Es wird jedoch an Alternativen geforscht: Feststoffbatterien hätten viele Vorteile – insbesondere für Elektroautos.
17.08.2019, 12:46

Die Bilder explodierter Smartphones dürften viele Handybesitzer nervös gemacht haben. Auch Akkus in Laptops bereiten immer wieder Probleme, wie ein aktueller Fall mit Apples MacBook Pro zeigt. Mehrere Airlines haben angekündigt, gewisse MacBook-Pro-Geräte nicht mehr an Bord zu lassen. Der Akku könnte in Brand geraten. Der Grund: Der flüssige Elektrolyt in Lithium-Ionen-Akkus ist brennbar und kann bei Überhitzung Feuer fangen. Anders liegt der Fall bei Feststoffbatterien.

Die wichtigsten Vorteile von Feststoff-Akkus:

  • Wie der Name sagt, beruhen diese neuen Stromspeicher auf festen Elektrolyten, was sie sicherer macht.
  • Sie halten höhere Spannungen und Betriebstemperaturen aus und lassen sich deshalb schneller auf- und entladen.
  • Zudem können sie mehr Energie pro Gewichtseinheit speichern, was vor allem für die Batterien von Elektroautos interessant wäre. Autobauer hoffen mit der neuen Akku-Generation auf einen Reichweitensprung.
  • Gleichzeitig sollen künftige Feststoffbatterien kompakter und im Laufe der Zeit billiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen werden.

Forschende in der Schweiz haben nun erstmals mit Röntgentomografie mechanische Prozesse in Feststoffbatterien beobachtet. Dies kann ihrer Optimierung helfen.

Noch sind solche Feststoffbatterien allerdings in der Entwicklung. Einen wichtigen Schritt für ihre Optimierung haben Forschende des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) gemacht. Mithilfe von Röntgentomografie haben sie untersucht, wie sich Risse im Material dieser Stromspeicher beim Aufladen ausbreiten. So detailliert sei dies bisher nie gelungen, schrieb das Forschungsinstitut in einer Mitteilung. Die Erkenntnisse können helfen, diesen neuen Batterietyp weiter zu optimieren.

Suche nach robusteren Elektrolyten

Der Elektrolyt der untersuchten Feststoffbatterie besteht laut PSI aus einem Lithium- und Phosphor-Sulfid. Darin sind rund 30 Mikrometer kleine Zinnkugeln eingebettet. Beim Aufladen der Batterie wandern Lithium-Ionen in die Gitterstruktur des Zinns ein. Dadurch wachsen die Kügelchen und zerreissen das umliegende Elektrolytmaterial.

Die Risse behindern jedoch die Bewegung der Lithium-Ionen durch den Elektrolyten. Das schmälert die Leistungsfähigkeit der Batterie. Wie stark sich die Zinnkugeln ausdehnen und wie sich diese Risse genau ausbreiten, haben Forschende um Xiaohan Wu vom PSI in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Autohersteller Toyota beobachtet. Von der Ergebnissen berichteten sie im Fachblatt «Advanced Energy Material».

Demnach wachsen die Kügelchen um rund 300 Prozent. Zudem breiten sich die Risse so aus, dass sie den Weg der Ionen genau kreuzen. Dies hätten die Forschenden nicht erwartet, sagte Wu.

Eine weitere spannende Erkenntnis: Beim Entladen heilt sich die Batterie quasi selbst: Wenn die Lithium-Ionen die Zinnkugeln wieder verlassen, schliessen sich die Risse im Elektrolyt.

Um die Feststoffbatterie zu röntgen, nutzten die Wissenschaftler die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI sowie eine Methode namens «Operando Röntgentomografische Mikroskopie». «Die Methode funktioniert prinzipiell wie eine Computertomografie in einem Spital, jedoch ist beim Synchrotron am PSI der Photonenfluss um einige Grössenordnungen höher», erklärte Federica Marone vom PSI. Dadurch liesse sich die nötige räumliche und zeitliche Auflösung erreichen, um die Prozesse während des Batteriebetriebs zu beobachten.

In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden mit dieser Methode nach Elektrolytmaterialien suchen, die weniger stark anfällig für Risse und damit leistungsfähiger sind.

Warum Handy-Akkus explodieren; im Video erklärt:

(oli/sda)

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