MIT-Forscher haben eine Festkörperbatterie mit einem innovativen Design entwickelt, um ihre Reichweite zu erhöhen. So sieht es aus
Smartphone-Besitzer haben etwas mit den Fahrern von Elektroautos gemeinsam: Angst vor dem Laden. Alle batteriebetriebenen Geräte, von Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos, haben eine Reichweite, die durch die Kapazität der Batterie begrenzt ist, bei der es sich heute immer um Lithium-Ionen-Technologie handelt. Aber was ist mit morgen? Höchstwahrscheinlich wird es sich dabei um eine Lithium-Festkörperbatterie handeln.
Die Festkörperbatterie-Technologie wird schon seit langem als die nächste Revolution in der Elektronik (und bei Elektroautos) angepriesen, aber bis heute gibt es unüberwindbare technische Probleme, die ihren Einsatz in Verbrauchergeräten verhindern. Eine kürzlich vom MIT gemachte Entdeckung könnte dies jedoch ändern, indem sie Festkörperbatterien in unsere Geräte bringt und es ermöglicht, dass ein Smartphone bis zu drei Tage am Stück eingeschaltet bleibt. Die Innovation besteht in einem neuen Design der Anode, einer der beiden Elektroden, durch die der elektrische Strom in der Batterie fließt.
Das Problem mit Festkörperbatterien
Bislang bestand eines der größten Probleme mit Festkörperbatterien darin, dass sich beim Aufladen der Batterie Atome im Inneren des Lithiummetalls ansammeln, wodurch es sich ausdehnt. Bei der Entladung schrumpft das Metall dann wieder, wenn die Batterie benutzt wird. Diese wiederholten Größenänderungen des Metalls erschweren die Aufrechterhaltung eines konstanten Kontakts zwischen den Materialien, aus denen die Batterie besteht, und können zu Brüchen und Ablösungen führen. Ein weiteres Problem der bisher entwickelten Festkörperbatterien war die chemische Instabilität der Elektrolyte.
Die Lösung
Die MIT-Forscher wählten ein innovatives Design, das zwei zusätzliche Klassen von Festkörpern verwendet, "gemischte ionen-elektronische Leiter" (MIECs) und "elektronische und Lithium-Ionen-Isolatoren" (ELIs), die in Kontakt mit Lithiummetall chemisch stabil sind. Die Forscher entwickelten auch eine dreidimensionale wabenförmige Nanoarchitektur, bei der ein zusätzlicher Raum für die Ausdehnung des Lithiums vorgesehen ist. Wenn sich das Lithium während des Ladevorgangs ausdehnt, fließt es in den leeren Raum und bewegt sich wie eine Flüssigkeit, obwohl es eine feste kristalline Struktur beibehält.
Drei Tage Laden
Das MIT-Team hat es bisher geschafft, 100 vollständige Lade-/Entladezyklen der neuen Batterie zu absolvieren, ohne Anzeichen eines Bruchs. Die Wissenschaftler sagen, dass es mit diesem neuen Design möglich sein wird, viel kleinere Batterien mit der gleichen Kapazität herzustellen, die ein Smartphone sehr lange am Laufen halten können - bis zu drei Tage mit einer einzigen Ladung.