Innere Werte: Die Grenzen von Feststoffbatterien

Der Franziskanerweg in Gelnhausen im Südosten Hessens ist weit über die Nachbarschaft hinaus bekannt. Jedes Jahr lockt hier ein großes Radsport-Event an, denn mit bis zu 32 Prozent Steigung zählt die Straße zu den steilsten Deutschlands.

Was früher nur gut trainierte Fahrerinnen und Fahrer schafften, gelingt heute – außerhalb von Wettkämpfen – dank E‑Bikes mit Leichtigkeit. Der Fortschritt in der Batterietechnologie prägt längst unseren Alltag: Wir hören stundenlang Musik am Handy, fahren mit Elektroautos klimafreundlicher in den Urlaub und nutzen im Garten akkubetriebene Geräte – mobil und ganz ohne Kabelsalat.

Doch die Batterietechnologie hat auch Nachteile: Elektroautos und Handys können in Brand geraten, Batterien können auslaufen und ihre Kapazität nimmt im Lauf der Zeit deutlich ab. Daher wird weltweit an Verbesserungen gearbeitet. Von besonderem Interesse sind Feststoffbatterien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien besitzen sie im Inneren keine flüssigen Elektrolyte mehr, da alles auf Feststoffen basiert. Sie können daher weder auslaufen noch brennen.

In unserer Gruppe untersuchen wir deren mikroskopischen, vor allem jene Grenzbereiche, an denen verschiedene Materialien aufeinandertreffen. Denn genau dort entscheidet sich ihre Zukunftstauglichkeit.

Batterien bestehen aus verschiedenen Schichten. Von außen sind nur die beiden Pole sichtbar. Im Inneren befinden sich jedoch noch weitere Schichten, beispielsweise eine, die als Reservoir für Lithium- oder Natrium-Ionen dient. Dieses wird beim Aufladen der Batterie aufgefüllt. Wird ein Verbraucher an die Batterie angeschlossen, wandern die kleinen Ionen durch den Elektrolyten bis zur anderen Elektrode, die diese „wie ein Schwamm“ aufnimmt. Der Elektrolyt ist so aufgebaut, dass er Ionen problemlos durchlässt, für Elektronen jedoch eine Barriere darstellt. Um den Ionenfluss innerhalb der Batterie auszugleichen, müssen außen Elektronen durch ein Kabel wandern, was die Verbraucher antreibt.

Aufgrund des Schichtaufbaus entstehen Grenzflächen zwischen dem Ionen-Reservoir, dem festen Elektrolyten und dem Ionen-Schwamm. Genau hier setzt unsere Forschung an. Die beweglichen Ionen können sich an den Grenzflächen stauen wie bei einem Abflussrohr, das sich an einer Stelle verengt. Die Grenzflächen können somit Engstellen für den Ladungstransport darstellen und auf diese Weise für eine dünne positiv geladene Schicht sorgen, eine Raumladungsschicht. Aufgrund der Ladung wirkt die Schicht abstoßend auf weitere wandernde Ionen und sorgt so für einen zusätzlichen Widerstand. Bisherige Messungen der Batterie-Eigenschaften können nur Rückschlüsse darauf zulassen, wie stark und wo sich diese Raumladungszonen befinden. In unserer Forschung untersuchen wir die Schicht erstmals mit mikroskopischen Methoden an einer funktionsfähigen Batterie.

Um zu klären, wo sich die Raumladungszonen befinden und wie stark sie sich auf die Batterieeigenschaften auswirken, haben wir zwei Methoden genutzt. Mit der Kelvin-Sonden-Mikroskopie, bei der eine feine Nadel über eine Oberfläche gerastert wird, können wir messen, wo sich wie viele Ionen befinden und wie sich die Spannung lokal verändert. Mithilfe der Nuclear Reaction Analysis – einer Methode, bei der eingestrahlte Atome mit den Atomen einer Probe wechselwirken und so Rückschlüsse auf deren Eigenschaften erlauben – konnten wir das Anlagern von Lithium an der Grenzfläche zur Elektrode nachweisen. Durch die Kombination beider Methoden konnten wir Details über die Raumladungsschicht ermitteln. Dabei haben wir herausgefunden, dass sie für zirka 7 % des Gesamtwiderstands der Batterie verantwortlich ist. Dieses Verständnis der mikroskopischen Prozesse kann dazu beitragen, den Innenwiderstand von Batterien zu reduzieren, beispielsweise durch das Hinzufügen einer zusätzlichen Schicht, die den Ionentransport an der Grenzfläche begünstigt. Dadurch werden Batterien in Zukunft noch leistungsfähiger.

In einer weiteren Untersuchung haben wir uns einen zusätzlichen Effekt in Batterien angesehen: die Bildung sogenannter „Dendriten”. Wird eine Batterie mehrmals aufgeladen und entladen, kann durch das wiederholte Zusammentreffen von Ionen und Elektronen elementares Lithium oder Natrium entstehen, das an den Grenzflächen wächst. Dieser Prozess ähnelt der Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten in Tropfsteinhöhlen. Tropfen für Tropfen beziehungsweise Atom für Atom wächst ein Dendrit. Dieser kann irgendwann so groß werden, dass er den kompletten Elektrolyten durchläuft und die positive und die negative Elektrode kurzschließt. Somit liefert die Batterie keine Spannung mehr und muss entsorgt und ersetzt werden.

In unserer Forschung verfolgen wir auch weitere neue Ansätze in der Batterieforschung. Ein Beispiel sind „anodenfreie Batterien“. Dabei existiert der Schwamm, der die Ionen aufsaugt, nicht mehr. Dieser neue Aufbau bietet mehrere Vorteile: Lithium und Natrium sind hochreaktiv. Bei der Herstellung von Batterien muss daher ein dünnes Lithium- beziehungsweise Natrium-Plättchen, also der Schwamm, unter einer Stickstoffatmosphäre in die Batterie eingebracht werden. Sowohl dessen Herstellung als auch der Zusammenbau verursachen zusätzliche Kosten, wodurch die Batterie teurer und schwerer wird. Anodenfreie Batterien könnten also günstigere Batterien mit weniger Lithium beziehungsweise Natrium ermöglichen.

Auch bei der Entwicklung dieser neuen Generation von Feststoffbatterien können unsere mikroskopischen Methoden einen Beitrag leisten: Wie lagern sich die wandernden Ionen an der Elektrode an, wenn der Schwamm nicht mehr vorhanden ist? Bilden sich auch hier Dendriten, die beide Elektroden kurzschließen? Wie muss die Grenzfläche zur Elektrode beschaffen sein, damit sich die Ionen möglichst gleichmäßig verteilen und keine lokalen Anlagerungen bilden, die den Ionenfluss behindern oder ungünstig beeinflussen?

Es bleibt also spannend in der Batterieforschung – nach wie vor sind Batterien mit flüssigem Elektrolyt im Einsatz. Doch spätestens, wenn die ersten Feststoffbatterien auf dem Markt sind, wird man Elektroautos mit einer Reichweite von 1.000 Kilometern bauen oder den Berg in Gelnhausen mehrere Tage lang auf- und abfahren können.

Literaturhinweise