Neues Konzept ermöglicht schnellladefähige Festkörperbatterie

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Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie - umschalten.de

Die Forscher am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9) haben eine schnellladefähige Festkörperbatterie entwickelt. Das Besondere: Sie lässt sich in weniger als einer Stunde voll aufladen.

Geht die Entwicklung hinsichtlich Kapazität und Energiedichte so weiter, könnten Festkörperbatterien schon bald Lithium-Ionen-Batterien ersetzen und damit zum Energiespeicher für Elektromobile der übernächsten Generation werden.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, wie sie beispielsweise als Akku in Elektroautos verbaut werden, haben einen flüssigen Elektrolyten. Festkörperbatterien hingegen enthalten keine flüssigen Bestandteile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Sie sind dadurch unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Zudem sind die Bauteile der neuen Festkörperbatterie weitestgehend ungiftig.

HOHER STROMFLUSS DANK ÄHNLICHER MATERIALIEN

Ihr größtes Manko war bislang die Ladezeit. Mit zehn bis zwölf Stunden musste man rechnen, denn die hohen Widerstände an den internen Festkörpergrenzflächen erlauben nur geringe Lade- und Entladeströme. Der neue Zelltyp benötigt nun weniger als eine Stunde.

Hinter dem Konzept steckt eine clevere Materialwahl, die zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt. „Anode, Kathode und Elektrolyt werden alle aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen“, erklärt Hermann Tempel, Arbeitsgruppenleiter am IEK-9, die Besonderheit der neu entwickelten Technik. Dies führe zu einer guten mechanischen Passfähigkeit. So betrage ihre Laderate, die den maximalen Strom des Akkus in Bezug auf seine Kapazität angibt, 3C bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g.

ANWENDUNG FÜR E-MOBILITÄT UND SMART-HOME

In Tests erweist sich die Kapazität der neuen Festkörperbatterie als stabil. Nach über 500 Lade- und Entladezyklen betrug diese über 84 Prozent ihres Anfangswertes. Das Ziel der Forscher ist es, zukünftig Verluste von weniger als einem Prozent zu realisieren. Gepaart mit der Verwendung preisgünstiger Stoffe eigneten sich diese Zellen sehr gut für Speicherlösungen im Elektromobilitäts- und Smart-Home-Bereich. „Da sie sich im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus bei Beschädigung auch nicht übermäßig erhitzen oder sogar explodieren, wären sie auch für Smartphones und andere mobile Computer eine sichere Alternative“, ergänzt Institutsleiter Prof. Rüdiger Eichel die Einsatzmöglichkeiten.

Testaufbau für die Festkörperbatterie: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, welches die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt. Das patentierte Konzept beruht auf einer günstigen Kombination von Materialien. Alle Komponenten – Anode, Kathode und Elektrolyt – wurden aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) ermöglichen. Copyright: Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin
Der feste Elektrolyt dient als stabiles Trägermaterial für die Elektroden, die derzeit beidseitig per Siebdruck-Verfahren aufgetragen werden. Copyright: Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin Copyright: Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin
Prof. Rüdiger Eichel, Institutsleiter des IEK-9 am Forschungszentrum Jülich und Sprecher des Topics "Batteriespeicher" der Helmholtz-Gemeinschaft, mit einem Modell des Festkörperelektrolyten. Copyright: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
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Ein Beitrag von Stefan Oswald

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