Forschung -

Festkörperbatterie brennt nicht und lädt schnell

Forscher von der 'University of Texas at Austin' entwickelten die ersten kompletten Feststoff-Batteriezellen, die zu sicheren und schneller ladenden Batterien führen könnten, die zudem längere Zykluszeiten aufweisen.

Nutznießer dieses neuen Batterietyps wären nach Ansicht der Forscher Mobilgeräte, Elektrofahrzeuge und die stationäre Energiespeicherung. Geleitet wurde das Forscherteam vom 94 Jahre alten Miterfinder der Lithium-Ionen-Batterie Professor John Goodenough von der 'Cockrell School of Engineering".

Goodenoughs letzter Durchbruch, abgeschlossen mit seiner Forscherkollegin Maria Helena Braga, ist eine kostengünstige Festkörperbatterie, die nicht entflammbar ist und eine lange Zykluszeit aufweist.

Hinzu kommen eine hohe Energiedichte sowie schnelle Lade- und Entladeraten. Die Forscher beschrieben ihr Projekt in der Zeitschrift 'Energy & Environmental Science'.

"Kosten, Sicherheit, Energiedichte, Lade- und Entladeraten und Zykluszeiten sind kritische Spezifikationen für mit Batterie betriebene Fahrzeuge, bevor ein Energiespeicher adaptiert werden kann. Wir glauben, dass unsere Entdeckung viele dieser Probleme löst, die die heutigen Batterien mit sich bringen", sagte Goodenough.

Die Forscher demonstrierten, dass deren neue Batterie gegenüber den heutigen Lithium-Ionen-Batterien eine mehr als 3-fache Energiedichte aufweist.

Die Energiedichte einer Batterie bestimmt den Fahrbereich eines Elektrofahrzeuges. Eine höhere Energiedichte bedeutet also mehr Kilometer zwischen den Ladungen.

Die neue Batterie erlaubt auch mehr Lade- und Entladezyklen. Das bringt Batterien mit einer längeren Lebensdauer mit sich sowie schnellere Wiederaufladeraten (Minuten anstatt Stunden).

Heutige Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssige Elektrolyten für den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden. Wird eine Batterie zu schnell geladen, bilden sich Dendriten oder "metallene Haare" durch die flüssigen Elektrolyte, die Kurzschlüsse erzeugen. Das kann zu Feuer und Explosionen führen.

Die Forscher verwenden daher keine flüssigen Elektrolyte und benutzen stattdessen Glaselektrolyte, durch die sich Alkalimetall-Anoden einsetzen lassen. Hierbei entwickeln sich keine Dendriten.

Die Verwendung von Alkalimetall-Anoden (Lithium, Natrium oder Kalium), was in herkömmlichen Batterien nicht möglich ist, erhöht die Energiedichte einer Kathode und bringt lange Zykluszeiten mit sich. Experimente mit der neuen Batteriezelle demonstrierten mehr als 1200 Zyklen mit einem geringen Zellenwiderstand.

Hinzu kommt, dass der Festglaselektrolyt auch bei -20 °C funktionieren kann (hohe Leitfähigkeit) und sich damit auch in einem Fahrzeug bei Frostwetter einsetzen lässt.

Diese Festkörperbatteriezelle ist die erste Zelle, die auch unter +60 °C arbeitet. Der neue Elektrolyt wurde durch das 'UT Austin Office of Technology Commercialization' patentiert.

Der neue Glaselektrolyt lässt es zu, dass Alkalimetalle sowohl auf der Anode als auch auf der Kathode der Batterie aufgetragen werden, ohne dass sich Dendriten bilden. Das vereinfacht die Herstellung der Batteriezelle. Ein weiterer Vorteil der Batteriezelle ist die Herstellung aus umweltfreundlichen Materialien.

Nach Angaben der Forscher kann wegen des Glaselektrolyts das Lithium durch das billige Natrium ersetzt werden. Natrium gewinnt man aus dem Seewasser.

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