Die in Jülich entwickelte Natrium-Feststoffbatterie ist etwa fingernagelgroß.

Bild: Tu Lan, Forschungszentrum Jülich

Robuster Feststoff-Akku Natrium-Festkörperbatterie übersteht 100 Ladezyklen

02.10.2019

Am Forschungszentrum Jülich ist eine Natrium-Festkörperbatterie entwickelt worden, die nach 100 Ladezyklen noch über 90 Prozent ihrer anfänglichen Kapazität aufweist. Vergleichbare Resultate ließen sich bislang nur mit Bauformen erzielen, die Flüssigkeiten oder zusätzliche weiche Schichten enthielten.

Festkörperbatterien haben gegenüber Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt mehrere Vorteile. Sie können weder auslaufen noch in Brand geraten und gelten daher als naturgemäß sicher und unempfindlich. Auch wird weniger Technik benötigt, um die Zellen vor Stößen zu schützen und für stabile Temperaturen zu sorgen, was zusätzlich dabei hilft, Gewicht und Kosten einzusparen.

Da Festkörperbatterien zudem sehr hohe Energiedichten erreichen können, wird weltweit intensiv daran geforscht. Trotzdem sind reine Festkörperbatterien, die keine flüssigen oder polymerartigen Schichten mehr enthalten, von der Marktreife noch weit entfernt. Insbesondere die Verbindung von Elektrode und Elektrolyt gilt als problematisch.

„In einer Batterie lagern sich beständig die transportierten Ionen in der Elektrode ein oder gehen von der Elektrode auf den Elektrolyten über – eine Batterie funktioniert nun einmal so“, erklärt Dr. Frank Tietz vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. „Dieses ständige Wachsen und Schrumpfen der Elektroden tolerieren Feststoffe deutlich schlechter als ein flüssiger Elektrolyt, der immer einen guten Kontakt gewährleistet.“

Technik aus den 1990er Jahren wiederbelebt

Bei den Festkörperbatterien steht die Forschung noch ziemlich am Anfang. Reine Festkörperbatterien halten in der Regel nur einige wenige Ladezyklen durch, insbesondere ohne externen Druck. Dann beginnen die einzelnen Partikel oder Schichten sich voneinander lösen, was praktisch einem Totalschaden der Batterie gleichkommt.

Die Jülicher Forscher haben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie belebten dazu eine Technik wieder, die aus der Brennstoffzellenforschung der 1990er Jahre stammt. Um eine gute Kontaktierung zu erreichen, lösten sie die Bestandteile der Kathode in einer Flüssigkeit und brachten sie so in flüssiger Form in den Elektrolyten ein. Dort wurde sie im weiteren Produktionsprozess zur Elektrode umgewandelt.

Vor- und Nachteile des Verfahrens

„Das Verfahren ist aus mehreren Gründen vorteilhaft“, sagt Tietz. „Der Elektrolyt wird nicht nur oberflächlich beschichtet. Die Flüssigkeit dringt stattdessen weit in das poröse Material ein und lagert sich in dünnen Schichten an den Porenwänden an. Auf diese Weise entsteht eine große Kontaktfläche.“

Die restliche Porosität helfe dann dabei, Volumenschwankungen beim Laden und Entladen auf eine große Fläche zu verteilen und wirke dadurch wie ein Puffer, erklärt Tietz weiter. Nicht verschwiegen werden sollte aber auch, dass die Synthese bei über 700 °C erfolgt: „Die Methode ist insofern ungewöhnlich, weil die Herstellung des Kathodenmaterials von einem Pulverlieferanten in die Zellenherstellung verlagert wird.“

Natrium versus Lithium

Für die Umsetzung wählten die Forscher eine Batterie auf der Basis von Natrium. Die möglichen Energiedichten liegen zwar klar unter denen von Lithium-Festkörperbatterien. Dafür besitzt Natrium einige andere Vorzüge: Es ist leicht verfügbar, kostengünstiger als Lithium und damit vor allem für stationäre Anwendungen interessant, etwa als Zwischenspeicher für erneuerbare Energien.

Zudem neigt Natrium anders als Lithium weniger dazu, metallische Dendriten auszubilden. Diese können zu einem Kurzschluss führen, der die Batterie zerstört. Darüber hinaus sind kobaltfreie Kathodenmaterialien möglich.

Energiedichte macht den Unterschied

Die etwa fingernagelgroße Natrium-Feststoffbatteriezelle, die die Forscher im Labor getestet haben, besitzt eine Energiedichte von etwa 10 Wh/kg, was etwa drei Prozent heutiger Lithium-Ionen-Akkus entspricht. Durch die Optimierung aller Komponenten – speziell durch die Reduzierung der Schichtdicken auf wenige Mikrometer – scheint laut den Forschern eine Energiedichte von 160 Wh/kg beziehungsweise 500 Wh/l möglich. Natrium-Festkörperbatterien könnten dann für stationäre Anwendungen interessant werden.

Die Forschungsergebnisse erscheinen im Original in der Zeitschrift Nano Energy.

Bildergalerie

  • Elektronenmikroskopische Aufnahme der mittels Infiltration hergestellten Kathode: Das eingebrachte Elektrodenmaterial (NVP, dunkel) hebt sich klar vom porösen Elektrolyten (NZSP, hell) ab.

    Bild: Dr. Daniel Grüner, Tu Lan; Forschungszentrum Jülich

  • Aufbau der Natrium-Feststoffbatterie mit Gold-Elektrodenkontakt (Au), NVP-NZSP-Elektrode, NZSP-Elektrolyt und Natrium-Elektrode.

    Bild: Tu Lan, Forschungszentrum Jülich

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