Flexibler Polymer-Elektrolyt verbessert Feststoffbatterien

Feststoffbatterien gelten als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Forschende der Empa haben nun einen flexiblen Polymer-Elektrolyten entwickelt, der zentrale Herausforderungen adressiert. Das Material kombiniert mechanische Elastizität mit guter Ionenleitfähigkeit und könnte die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Einsatzmöglichkeiten von Batterien deutlich erweitern.

Feststoffbatterien ersetzen brennbare Flüssigelektrolyte durch feste Materialien und gelten daher als sicherer. Gleichzeitig ermöglichen sie den Einsatz von Lithiummetall-Anoden, was höhere Energiedichten verspricht.

Ein zentrales Problem bleibt jedoch bestehen: Volumenveränderungen während der Ladezyklen führen zu Hohlräumen und Kontaktverlusten im Inneren der Batterie. Der neu entwickelte Polymer-Elektrolyt auf Silikonbasis setzt genau hier an.

Seine besondere Eigenschaft: Er ist fest genug, um das Wachstum von Dendriten zu verhindern, und gleichzeitig elastisch genug, um entstehende Hohlräume auszugleichen.

Das Ausgangsmaterial ist ein Polysiloxan (Silikon), das durch funktionale Gruppen gezielt modifiziert wurde. Dadurch entsteht ein leitfähiges Polymer, das Ionen transportieren kann, ohne seine Flexibilität zu verlieren.

Diese Kombination ist entscheidend:

• Elastizität sorgt für mechanische Stabilität im Betrieb
• Ionenleitfähigkeit ermöglicht effiziente Lade- und Entladeprozesse
• Materialdesign eröffnet neue Ansätze für Batteriearchitekturen

Die Forschenden zeigen damit, wie sich klassische Materialeigenschaften gezielt anpassen lassen, um bestehende Grenzen in der Batterietechnologie zu überwinden.

Neben der verbesserten Leistungsfähigkeit eröffnet das Material neue Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere flexible Batterien könnten künftig realisiert werden, etwa für medizinische Implantate.

Aktuelle Systeme sind häufig starr und schränken den Tragekomfort ein. Der neue Elektrolyt könnte hier eine Alternative bieten, da er sich mit unterschiedlichen Kathodenmaterialien kombinieren lässt und gleichzeitig als Bindematerial dienen kann.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Verarbeitung: Der Elektrolyt kann zu Dünnschichten im Mikrometerbereich verarbeitet werden und ist grundsätzlich skalierbar.

Damit erfüllt das Material wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion. Perspektivisch könnten sich dadurch auch Kostenvorteile gegenüber bestehenden festen Elektrolyten ergeben.

Die nächsten Schritte konzentrieren sich auf die weitere Verbesserung der Ionenleitfähigkeit sowie die Zusammenarbeit mit Industriepartnern zur Markteinführung.

F Okur, Y Sheima, C Zimmerli, H Zhang, P Helbling, A Fäh, I Mihail, J Tschudin, DM Opris, MV Kovalenko, KV Kravchyk: Nitrile-functionalized Poly(siloxane) as Electrolytes for High-Energy-Density Solid-State Li Batteries; ChemSusChem (2024); doi: 10.1002/cssc.202301285