Festkörper-Lithiumbatterien, die als „Heiliger Gral“ der Energiespeichertechnologie der nächsten Generation gepriesen werden, stehen seit langem vor einer großen Herausforderung: der Aufrechterhaltung eines engen Kontakts zwischen dem Festelektrolyten und der Lithiummetallelektrode.

Chinesische Wissenschaftler haben eine selbstadaptive Zwischenphase in Festkörper-Lithiumbatterien entwickelt, die ohne äußeren Druck einen engen Kontakt zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten aufrechterhält. Dies ist ein Durchbruch, der einen wichtigen Engpass auf dem Weg zur Kommerzialisierung entscheidend überwindet.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Sustainability“ veröffentlicht.

Herkömmliche Methoden erfordern einen konstanten Druck durch sperrige externe Geräte, wodurch die Batterien für den praktischen Einsatz zu groß und zu schwer werden.

Die Forscher des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), des Ningbo-Instituts für Materialtechnologie und -technik der CAS und der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie stellten fest, dass der Kontakt zwischen der Lithiumelektrode und dem Sulfid-Festelektrolyten in Festkörper-Lithiumbatterien nicht ideal ist, da zahlreiche winzige Poren und Risse vorhanden sind. Diese Probleme verkürzen nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern können auch Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, führte das Forscherteam Iodidionen in den Sulfid-Festelektrolyten ein. Während des Batteriebetriebs wandern diese Iodidionen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zur Elektrodenoberfläche und bilden dort eine iodidreiche Grenzfläche.

Diese Grenzfläche kann Lithiumionen aktiv anziehen und füllt automatisch alle Lücken und Poren wie bei einer Selbstheilung, wodurch ein dichter Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt aufrechterhalten wird.

Prototyp-Batterien, die auf Basis dieser Technologie hergestellt wurden, haben selbst nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen unter Standardtestbedingungen eine stabile und hervorragende Leistung gezeigt, die weit über dem Niveau ähnlicher bestehender Batterien liegt.

Die Technologie könnte zukünftige Batterien mit Energiedichten von über 500 Wattstunden pro Kilogramm ermöglichen und damit die Batterielebensdauer von elektronischen Geräten um mindestens das Doppelte verlängern, sagte Huang Xuejie vom Institut für Physik, einer der korrespondierenden Autoren der Veröffentlichung.

Der Durchbruch werde die Entwicklung von Lithium-Batterien mit hoher Energiedichte beschleunigen. Diese spielen voraussichtlich eine wichtige Rolle in humanoiden Robotern, der elektrischen Luftfahrt, Elektrofahrzeugen und anderen Bereichen, so Huang.

Diese Studie löse das zentrale Problem, das die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien bisher behindert habe, und markiere einen entscheidenden Schritt in Richtung ihrer praktischen Anwendung, so Wang Chunsheng, Experte für Festkörperbatterien an der University of Maryland.

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