Feststoffbatterien: Berliner Forscher finden Grund für Lade-Lahmheit

Feststoff-Batterien gelten zwar als das nächste große Ding in der Elektromobilität, in der Praxis bremsen aber derzeit noch seltsame Probleme ihren Siegeszug. Doch Forscher in Berlin sind dem Rätsel dahinter wohl auf die Spur gekommen. Die Akkus, die mit Lithium-Schwefel-Technologie arbeiten, bieten nicht nur eine höhere Energiedichte und bessere Sicherheit als klassische Lithium-Ionen-Batterien. Sie sollen sich eigentlich auch schneller aufladen lassen. In der Praxis sind die Ladezeiten bisher aber noch deutlich länger, was man sich so bisher nicht erklären konnte.

Physiker am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben nun allerdings Licht ins Dunkle gebracht: Sie konnten zeigen, dass eine sehr schleppende Einwanderung von Lithium-Ionen in die Verbundkathode die Ladezeiten stark ausdehnt. Das Team konstruierte eine spezielle Zelle, um den Transport von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode in einer Lithium-Schwefel-Feststoffbatterie zu beobachten. Normalerweise beobachtet man die Bewegung von Teilchen dabei mit Röntgen-Strahlung, das funktioniert beim Lithium aber kaum. Es gelang aber, die kleinen Atome mit Neutronen sichtbar zu machen.

Problem erkannt ...

An der Berliner Neutronenquelle BER II bestrahlte man die Forschungszelle und verfolgte die Veränderungen per Neutronenradiografie und Neutronentomografie am CONRAD2-Instrument. "Wir haben jetzt eine viel bessere Vorstellung davon, was die Leistung der Batterie einschränkt", sagte HZB-Physiker Robert Bradbury. "Aus den Daten der operando Neutronenradiografie sehen wir, dass sich eine Reaktionsfront von Lithium-Ionen durch die Verbundkathode ausbreitet, was den negativen Einfluss der niedrigen effektiven Ionenleitfähigkeit bestätigt."

Außerdem konzentriert sich ein Teil des eingeschlossenen Lithiums in der Nähe des Stromabnehmers, wenn die Akkuzelle geladen wird. Das führt zu einer verminderten Kapazität, weil nur ein Teil des Lithiums beim Aufladen der Batterie zurücktransportiert wird. Vorangegangene Modell-Berechnungen wurden dadurch bestätigt.

Die Herausforderung bestehe nun darin, einen schnelleren Ionentransport innerhalb des Kathodenverbunds zu ermöglichen. "Ohne eine direkte Visualisierung der Reaktionsfront innerhalb des Kathodenverbunds wäre dieser Effekt möglicherweise unbemerkt geblieben, obwohl er für die Entwicklung von Festkörperbatterien von großer Bedeutung ist", so Bradbury. Die Forscher werden nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus anderen Instituten und der Industrie versuchen, schnell eine Lösung zu finden, um die Entwicklung der Akkus voranzubringen.

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