Im Gegensatz zu gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterien bestehen bei Feststoffbatterien auf Lithium-Ionen-Basis nicht nur Kathode und Anode aus festem Material, sondern auch das dazwischenliegende Elektrolyt. Dadurch ist die Batterie schwer entflammbar und hat eine höhere Energiedichte. Allerdings ist es auch das feste Elektrolyt, das in der Batterie Probleme verursacht: Chemische Inkompatibilität zwischen der Lithium-Kathode und dem Elektrolyt führt an der Grenzfläche der verschiedenen Materialien zu unerwünschten chemischen Reaktionen, die den Ionentransport in der Batterie behindern, somit die Effizienz schmälern und den Verfall der Batterie beschleunigen.
Forschende um Prof. Dr. Francesco Ciucci vom Lehrstuhl für Elektrodendesign elektrochemischer Energiespeicher der Universität Bayreuth haben in Zusammenarbeit mit der Hong Kong University nun einen Durchbruch bei diesem Problem erzielt: Sie haben eine leistungsstarke computergestützte Screening-Plattform entwickelt, die in kürzester Zeit Tausende potenzielle Materialien durchforstet, die für eine schützende Zwischenschicht zwischen der Kathode und dem Elektrolyt geeignet sind. Mit diesem Ansatz haben sie über 20.000 Materialien hinsichtlich definierten Schlüsselkriterien wie Stabilität, Kompatibilität mit Lithium und dem Elektrolyt sowie Leitfähigkeit gegenüber Lithium-Ionen untersucht.
Das Screening identifizierte Lithiumoxychlorid als ideale Zwischenschicht für den untersuchten Batterieaufbau. Batterien mit dieser Zwischenschicht behielten nach 1.000 Lade-Entladezyklen noch 76 % ihrer Kapazität. Zum Vergleich: Herkömmliche Designs weisen unter denselben Bedingungen nur noch 5 % Kapazität auf. Zudem zeigten Hochleistungskonfigurationen, die die Stabilität der Batterie unter hoher Belastung testen, eine beständige Leistung des modifizierten Designs über 1.600 Zyklen.
„Unsere Studie stellt einen grundlegend neuen Ansatz zur Entwicklung verbesserter Feststoffbatterien vor. Über den konkreten Materialfund von Lithiumoxychlorid hinaus liegt die eigentliche Stärke unserer Arbeit in der entwickelten Screening-Plattform, die die erste ihrer Art ist. Dieses datenbasierte Hochdurchsatz-Screening liefert einen vielseitig einsetzbaren Bauplan für zukünftige Innovationen und ermöglicht die schnelle Identifizierung optimaler Materialien für eine Vielzahl von Batterie-Designs“, sagt Ciucci.
Die Studie wurde vom Research Grant Council of Hong Kong (Project 16201820, 16201622) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (INST 91/452-1 LAGG) gefördert.
