Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sichere Lithium-Ionenbatterie aus Keramik

13.03.2015

Feststoff-Lithium-Ionen-Akkus gelten als sichere Batterien der Zukunft. Der Ersatz des flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff ermöglicht hohe Energiedichten und entschärft Probleme wie Auslaufen, Überhitzen, Abbrand und Giftigkeit, mit denen heutige Lithium-Ionen-Akkus immer wieder zu kämpfen haben. Jülicher Wissenschaftler haben nun eine Zelle vorgestellt, die im Labormaßstab schon erstaunlich gut funktioniert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Verbesserung der Grenzfläche zwischen festem Elektrolyt- und Elektrodenmaterial, eine der größten Herausforderungen bei der Optimierung für praktische Anwendungen wie die Elektromobilität.

Die Jülicher Feststoff-Lithium-Ionenbatterie hat es in sich, auch wenn man ihr Potenzial nicht unbedingt auf den ersten Blick erkennt. Die Zelle wurde im Labor über 350-mal entladen und wieder aufgeladen. Sie ist der Vorläufer einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Akkus, in denen anstelle der brennbaren und oft giftigen Flüssigkeiten ein fester Elektrolyt zum Einsatz kommt.


Fertig konfektionierte Festkörperbatterie (Kathodenmaterial Lithium-Kobalt-Oxid, Elektrolyt: teilsubstituiertes Lithium-Lanthan-Zirkonat, Anode: Lithium-Metall)

Forschungszentrum Jülich


Dr. Chih-Long Tsai, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1), mit Keramik-Elektrolyt

Forschungszentrum Jülich

Diese Bauweise bringt viele Vorteile mit sich: „Die Zellen können bei Unfällen und Fehlern nicht in Brand geraten und nicht auslaufen. Sie könnten eine deutlich längere Lebensdauer haben und sind auf jeden Fall weniger temperaturempfindlich“, erläutert Prof. Olivier Guillon vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.

Lithium-Ionenbatterien sind insbesondere für mobile Anwendungen wie tragbare Elektrogeräte und Fahrzeuge die erste Wahl. Grund ist in erster Linie ihre hohe Energiedichte. „Mit Feststoff-Lithium-Ionenbatterien lässt sich die Energiedichte noch deutlich steigern, denn die Zellen lassen sich übereinander stapeln“, so der Leiter des Bereichs Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1).

Anders als herkömmliche Akkus mit Flüssig-Elektrolyt benötigen die unbedenklichen und mechanisch unempfindlichen Festkörper-Batterien keine platzraubenden Kühl- und Schutzvorrichtungen. Selbst die unvermeidlich auftretenden Stöße und Vibrationen bei Anwendungen im Automobilbereich verkraften sie ohne aufwendige Stützkonstruktionen, die für konventionelle Flüssigzellbatterien erforderlich sind.

Spezialkeramik als Elektrolyt

Aufgabe des Elektrolyten ist es, Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zur Kathode zu leiten und die beiden Pole gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Anstelle einer Flüssigkeit kann auch ein Festkörper diese Funktion übernehmen. Dafür geeignete Materialien weisen Leerstellen in ihrer atomaren Gitterstruktur auf. Lithium-Ionen können sie besetzen und sich so „hüpfend“ durch den Festkörper bewegen.

„Der Mechanismus läuft allerdings etwas langsamer ab als die Diffusionsvorgänge innerhalb eines flüssigen Elektrolyten. Das erhöht den Widerstand für den Ionentransport, was die abrufbare Leistungsdichte der Batterie verringert“, erläutert Dr. Sven Uhlenbruck. „Diese schlechtere spezifische Leitfähigkeit lässt sich aber im Prinzip durch die Ausführung des Elektrolyten als dünne Schicht ausgleichen. Unser Ziel ist es, die Dicke des Feststoffelektrolyten auf wenige Mikrometer zu reduzieren, während die Elektroden in konventionellen Zellen mit Flüssig-Elektrolyt rund 30 Mikrometer auseinander liegen“, erklärt der Jülicher Physiker.

Grenzfläche im Fokus

Eine größere technische Schwierigkeit stellt dagegen die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den festen Elektroden und dem ebenfalls festen Elektrolyten dar. Einen flüssigen Elektrolyten können feinstrukturierte Elektroden wie ein Schwamm aufnehmen. Doch zwei angrenzende Festkörper lassen sich nicht so einfach lückenlos miteinander verbinden. Der Übergangswiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt fällt entsprechend höher aus. „Durch Abstimmung der Herstellungsverfahren ist es uns gelungen, den Gesamtinnenwiderstand der Zelle von 20 Kiloohm auf 2 Kiloohm pro Quadratzentimeter zu reduzieren“, berichtet Sven Uhlenbruck. Die Forschung geht weiter. Ziel ist es, durch Verringerung der Elektrolytdicke die Werte heutiger Lithium-Ionenbatterien von 50 Ohm pro Quadratzentimeter zu erreichen, wobei die Energiedichte aufgrund der Materialeinsparung dann deutlich höher ausfallen dürfte – schöne Aussichten also für alle mobile Geräten, deren Laufzeit sich dadurch beträchtlich verlängern ließe.

Die detaillierten Ergebnisse wurden in der März-Ausgabe des Fachmagazins „Nachrichten aus der Chemie“ und in der Fachzeitschrift „Journal of Power Sources“ (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.003) veröffentlicht.

Originalpublikationen
Batterien mit Festkörperelektrolyt
D. Weber, S. Uhlenbruck
Physikalische Chemie (2015), Nachr. Chem., 63: 315–326, DOI: 10.1002/nadc.201590094
Abstract: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/nadc.201590094/abstract

Influence of titanium nitride interlayer on the morphology, structure and electrochemical performance of magnetron-sputtered lithium iron phosphate thin films
A. Bünting, S. Uhlenbruck, C. Dellen, M. Finsterbusch, C.-L. Tsai, D. Sebold, H.P. Buchkremer, R. Vaßen
Journal of Power Sources, Volume 281, 1 May 2015, Pages 326-33, doi:10.1016/j.jpowsour.2015.02.003
Article: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775315002268

Weitere Informationen:
Forschung am Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1): http://www.fz-juelich.de/iek/iek-1/DE/Home/home_node.html

Ansprechpartner:
Dr. Sven Uhlenbruck, Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Tel. + 49 2461 61-5984
s.uhlenbruck@fz-juelich.de

Prof. Dr. Olivier Guillon, Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Tel. + 49 2461 61-5181
o.guillon@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-03-13Festst...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht »ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern
18.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

nachricht Intelligentes Lademanagement entwickelt – Forschungsprojekt ePlanB abgeschlossen
18.10.2017 | Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise