Batterien – aber sicher: Neue Erkenntnisse zu Elektrolytmaterialien für Festkörperbatterien

Lithium-Ionen-Batterien sind unverzichtbar für moderne Geräte, weshalb Forschende kontinuierlich an sichereren und effizienteren Alternativen arbeiten. Ein Forschungsteam unter Leitung des Argonne National Laboratory (DOE) und Dr. Neelima Paul und Dr. habil. Ralph Gilles vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) gewann neue Erkenntnisse zu festen Elektrolyten für Festkörperbatterien. Eine zentrale Rolle spielten dabei Neutronenexperimente. Ihre Ergebnisse könnten zur Entwicklung sichererer und leistungsfähigerer Batterien beitragen.

Img 6528 Röntgendiffraktometer am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Röntgendiffraktometer am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Elektrolyte fungieren als Membranen, die den Fluss von Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode einer Batterie ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte enthalten, verwenden Festkörperbatterien feste Elektrolyte. Diese gelten als eine vielversprechende Technologie für die Zukunft, da sie leichter, energiedichter, langlebiger und sicherer sind. Im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten sind feste Elektrolyte nicht flüchtig oder entflammbar.

Höhere Energiedichte

Zudem sind feste Elektrolyte weniger reaktionsfreudig gegenüber metallischem Lithium, wodurch sie eine bessere Kompatibilität mit Lithium-Metall-Elektroden aufweisen. Da alle Atome im metallischen Lithium zur Lade- und Entladeprozessen beitragen können, ermöglicht es eine höhere Energiedichte als Graphit, das als konventionelles Elektrodenmaterial genutzt wird.

Ein vielversprechender Kandidat für Festkörperbatterien ist der feste Elektrolyt Lithium-Lanthan-Zirkonium-Granat (LLZO). Dieses Material zeichnet sich durch seine hohe mechanische Stabilität, Langlebigkeit und gute Ionenleitfähigkeit aus.

Kürzere Lebenszyklen

Um die Leistungsfähigkeit von LLZO weiter zu verbessern, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Dotierung mit kleinen Mengen an Elementen wie Aluminium oder Gallium. Dotierung bezeichnet das gezielte Einbringen von Fremdatomen zur Modifikation der Materialeigenschaften, vergleichbar mit der Zugabe von Gewürzen zur Verbesserung eines Gerichts.

Die Dotierung mit Aluminium und Gallium fördert die Erhaltung einer symmetrischen Kristallstruktur und erzeugt Leerstellen, die den Transport von Lithium-Ionen erleichtern und somit die Leitfähigkeit erhöhen. Jedoch kann eine Dotierung auch zu einer erhöhten Reaktionsfreudigkeit gegenüber metallischem Lithium führen, wodurch die Lebensdauer der Batterie verkürzt wird.

Graphic v3 An der Grenzfläche zwischen Lithium-Lanthan-Zirkonium-Granat und Lithium-Metall sind die potenziellen Dotierungsstellen als rosa Kugeln dargestellt. Die farbigen Wellen zeigen die Galliumreduktion und Legierungsbildung nach der Lithiumabscheidung. (Bild von Matt Klenk, Sanja Tepavcevic und Peter Zapol/Argonne National Laboratory. Nachgedruckt mit Genehmigung aus ACS Materials Lett. 2024, 6, 12, 5216-5221.) © 2024 American Chemical Society

An der Grenzfläche zwischen Lithium-Lanthan-Zirkonium-Granat und Lithium-Metall sind die potenziellen Dotierungsstellen als rosa Kugeln dargestellt. Die farbigen Wellen zeigen die Galliumreduktion und Legierungsbildung nach der Lithiumabscheidung. (Bild von Matt Klenk, Sanja Tepavcevic und Peter Zapol/Argonne National Laboratory. Nachgedruckt mit Genehmigung aus ACS Materials Lett. 2024, 6, 12, 5216-5221.) © 2024 American Chemical Society

Verminderte Leitfähigkeit

In der Studie untersuchten die Forschenden das Verhalten von LLZO mit Aluminium- oder Galliumdotierung im Kontakt mit metallischem Lithium. Mithilfe experimenteller und computergestützter Methoden konnten sie feststellen, dass Gallium leicht aus dem Elektrolyten diffundiert und mit Lithium zu einer Legierung reagiert. Dies führt zu einem Verlust von Gallium, wodurch sich die Kristallstruktur des Lithiumgranats verändert und die ionische Leitfähigkeit sinkt. Im Gegensatz dazu bleibt Aluminium-dotiertes LLZO stabil.

Obwohl Gallium-dotiertes LLZO eine höhere ionische Leitfähigkeit als Aluminium-dotiertes LLZO aufweist, ist seine Reaktionsfreudigkeit mit Lithium problematisch. Daher kamen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu dem Schluss, dass eine Schutzschicht notwendig ist, um die Leitfähigkeit zu erhalten und ungewollte Reaktionen zu verhindern.

Das Verständnis der unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen den Dotierungselementen und Lithium trägt dazu bei, stabilere Materialien für Festkörperbatterien zu entwickeln.

„Es ist essenziell, das Reaktionsverhalten eines Dotierungselements mit Lithium zu kennen“, erklärte Dr. Peter Zapol, Physiker am Argonne National Laboratory und leitender Forscher der Studie. „Ein guter Elektrolyt muss nicht nur eine hohe Leitfähigkeit besitzen, sondern auch chemische Stabilität aufweisen.“

Hohe Leitfähigkeit und Stabilität

Dr. Sanja Tepavcevic, leitende Experimentalforscherin der Studie, ergänzte: „Eine verbesserte Leitfähigkeit allein reicht nicht aus, wenn das Dotierungselement instabil ist. Unser Ziel ist es, entweder Reaktionsfreudigkeit und Leitfähigkeit zu trennen oder ein Material zu entwickeln, das beide Eigenschaften optimal vereint.“

Durch die Kombination experimenteller und rechnergestützter Methoden konnten die Forschenden wichtige Materialeigenschaften messen und atomare Einblicke in die Grenzfläche zwischen Lithium-Metall und dem Festkörperelektrolyten gewinnen.

Vorhersage von Stabilität und Verhalten

Mittels der Dichtefunktionaltheorie, einer leistungsfähigen computergestützten Methode zur Untersuchung atomarer und elektronischer Wechselwirkungen, prognostizierten sie die Stabilität verschiedener Dotierungselemente und ihre Reaktionsfähigkeit mit anderen Substanzen.

Es gibt nur wenige experimentelle Techniken, die es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Elektrode zu untersuchen, vor allem, wenn während des Batteriebetriebs eine elektrochemische Reaktion abläuft. Das liegt daran, dass diese Grenzflächen „vergraben“ sind und mit den meisten experimentellen Techniken nicht sichtbar sind, so Tepavcevic.

Eine der eingesetzten Techniken war die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) zur Analyse chemischer Veränderungen an der Oberfläche von LLZO. Eine weitere Methode war die elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Untersuchung des Lithium-Ionen-Transports innerhalb des Elektrolyten sowie an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche.

Neutronen zeigen Atome

Zusätzlich nutzten die Forschenden die Neutronenbeugung zur Bestimmung der atomaren Anordnung in den Materialien. Diese Methode bestätigte, dass Gallium instabiler und reaktiver wird, sobald es mit Lithium interagiert, während Aluminium stabil bleibt.

Diese Forschung profitierte von der Zusammenarbeit mit mehreren Institutionen, darunter die University of California, Santa Barbara, die hochwertige LLZO-Proben bereitstellte. Die Neutronenbeugungsexperimente wurden am Kernphysikinstitut der Tschechischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt, die Planung der Messungen und die Datenanalyse am MLZ.

Entscheidende Zusammenarbeit

„Die US-deutsche Zusammenarbeit war für diese Arbeit von entscheidender Bedeutung“, betonte Zapol. „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für die internationale Entwicklung sichererer und effizienterer Festkörperbatterien.“

Originaltext: Argonne National Laboratory