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Dienstag, 29 Dezember 2020 13:00

Dünnschicht-Keramik für Minibatterien

von Dr.-Ing. Richard Suchentrunk
Geschätzte Lesezeit: 1 - 2 Minuten

Forscher der Empa haben einen Meilenstein bei der Suche nach einem festen Elektrolyten, dem Leitmedium für künftige Festkörperbatterien, gemeistert. Dieses Material muss zum einen sehr gut leitfähig für Lithiumionen sein, zum anderen möglichst günstig industriell herstellbar. Ultradünne Schichten einer speziellen Keramik (LLZO, chemisch Li7La3Zr2O12) sollen die Produktion von leistungsstarken Festkörperbatterien in naher Zukunft möglich machen.

Lithium-Ionen-Akkus können aufgrund der leicht brennbaren Flüssigkeit in ihrem Innern ein Risiko bergen. Diese Elektrolytflüssigkeit könnte allerdings in Zukunft durch einen unbrennbaren und zugleich hitzebeständigen Festkörper ersetzt werden. Neben der verbesserten Sicherheit wären auch die höhere Leistungsfähigkeit und eine längere Lebensdauer wesentliche Vorteile solcher Batterien. Das Forschungsteam fokussiert auf Dünnschichttechnologien für die Entwicklung dieser neuen Festkörperbatterien. Durch Magnetron-Sputtern gelang es ihm, die LLZO-Keramik in Form eines ultradünnen Films von ca. 500 Nanometern herzustellen. Messungen ergaben eine deutlich höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu bisher bekannten Materialien.

Schon heute sind Festkörper-Mikrobatterien auf Basis von Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) erhältlich. Die Leitfähigkeit des an der Empa entwickelten LLZO-Dünnfilms übertrifft deren Leitfähigkeit aber um mehr als das Hundertfache. In einem nächsten Schritt konnten die Forscher das Material bereits in einer Laborversion einer Dünnfilm-Batterie testen. Und tatsächlich zeigte der neue LLZO-Dünnfilm auch in dieser Test-Batterie eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die bisher bekannten LiPON-Batterien.

LLZO-Festkörperbatterien sind vor allem für kleinere Geräte mit hohem Leistungsbedarf interessant, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik oder IoT-Geräten. Die Dünnfilm-Bauweise bei Festkörperbatterien verspricht kürzere Ladezeiten und eine längere Lebensdauer als bei heutigen, flüssigkeitsgefüllten Lithium-Ionen-Akkus.

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  • Ausgabe: 12
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Dr.-Ing. Richard Suchentrunk

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