Größere Partikel, besserer Lithiumtransport: Forscher um das Team von Prof. Bettina Lotsch am MPI Stuttgart untersuchten, wie sich unterschiedliche Partikelgrößen im Festelektrolyten auf dessen Leitfähigkeit auswirken. (Abbildung: V. Hiendl / e-conversion)
Feststoffbatterien gelten als Hoffnungsträger für die Energiespeicher der Zukunft. Sie versprechen höhere Energiedichten, kürzere Ladezeiten und ein Plus an Sicherheit gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Eine Schlüsselfunktion übernimmt der Elektrolyt in Festkörperbatterien: Statt einer Flüssigkeit wird ein Feststoff verwendet, der die Ladungsträger (Lithium-Ionen) zwischen Anode und Kathode transportiert. Bis zur Marktreife sind noch viele Herausforderungen zu bewältigen – dazu zählt unter anderem die Entwicklung leistungsstarker Festelektrolyte, die sich effizient und zuverlässig zu dünnen Schichten verarbeiten lassen.
Zu den vielversprechendsten Festelektrolyten zählen Vertreter der sogenannten Thiophosphate. In einer aktuellen Studie untersuchte das Team von Prof. Bettina V. Lotsch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart systematisch eine dieser Verbindungen: tetragonales Li₇SiPS₈. „Die Substanz zeichnet sich durch hohe Ionenleitfähigkeiten und günstige mechanische Eigenschaften aus, enthält aber – anders als etablierte Materialien – nicht das teure Element Germanium, sondern günstigeres Silizium“, erklärt Duc Hien Nguyen, Doktorand und Erstautor der Studie. Er untersuchte die Verarbeitung des Festelektrolyts im Slurry-Verfahren, also einen Prozess, der auf die industrielle Rolle-zu-Rolle-Fertigung abzielt. Bei diesem Verfahren wird das pulverförmige Material mit einem Lösungs- und Bindemittel zu einer streichfähigen Suspension (Slurry) vermengt und anschließend zu dünnen Schichten verarbeitet. Um eine gleichmäßige, leistungsfähige Schicht zu erhalten, muss die Suspension homogen sein und die richtige Viskosität aufweisen. „Die Wahl des Bindemittels ist hierbei entscheidend für eine gleichbleibend hohe Qualität der hergestellten Schichten. Wir haben verschiedene Bindemittel getestet und festgestellt, dass weniger polare Kandidaten besser abschneiden“, erklärt Nguyen.
Doktorand Duc Hien Nguyen untersuchte, wie Festelektrolyte optimal aus einer streichfähigen Suspension (Slurry) hergestellt werden können. (Bild: Jeff Wijaya/MPG)
Größere Partikel, besserer Lithiumtransport
Zudem untersuchte der Chemiker, welchen Effekt unterschiedliche Partikelgrößen im Festelektrolyten auf die Leitfähigkeit erzielen. Ein zentrales Ergebnis: Je größer die Feststoffteilchen sind, desto besser die Ionenleitfähigkeit. Während Partikel, die kleiner als 50 µm sind, zwar homogene, dichter gepackte Schichten ergaben, zeigten sich bei Feststoffteilchen, die größer als 100 µm sind, hingegen bessere Leitfähigkeiten. „Mit größeren Partikeln konnten wir deutlich höhere Lithium-Diffusionsgeschwindigkeiten erzielen – und davon kann später die Batterieleistung profitieren“, sagt Nguyen. Kleinere Partikel sind zwar vorteilhaft für die Verarbeitung, allerdings führen sie auch zu mehr Widerständen an den Korngrenzen, was wiederum den Lithiumtransport behindert. „Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass es diesbezüglich ein empfindliches Gleichgewicht gibt“, erklärt Prof. Lotsch. „Die Partikelgröße gezielt zu steuern kann dazu beitragen, die Mikrostruktur und somit die Leitfähigkeit von Festelektrolyten zu verbessern.“
Die Studie erscheint in EES Batteries. Gefördert wurde sie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster e-conversion und von FestBatt (Kompetenzcluster Festkörperbatterien) finanziert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Technologie (BMFRT).
Publikation:
Effect of particle size on the slurry-based processability and conductivity of t-Li7SiPS8;
Duc Hien Nguyen, Lars Grunenberg, Igor Moudrakovski, Kathrin Küster, Bettina V. Lotsch
https://doi.org/10.1039/D5EB00005J
Kontakt:
Prof. Bettina V. Lotsch
Nanochemistry Department
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
b.lotsch@fkf.mpg.de