An der Empa wurde ein polymerbasierter Elektrolyt für Feststoffbatterien entwickelt, der auf einem dehnbaren Polysiloxan basiert. Durch die funktionelle Modifikation des ursprünglich apolaren Silikons wird Ionenleitung ermöglicht, ohne die elastischen Eigenschaften des Materials zu verlieren.
Der feste Elektrolyt kombiniert mechanische Stabilität mit Flexibilität und gleicht strukturelle Veränderungen im Betrieb aus. Das skalierbare Material kann zu dünnen Schichten verarbeitet werden und eignet sich damit neben leistungsfähigen Batteriesystemen auch für flexible Akkus, etwa in medizinischen Anwendungen.
Dehnbares Polymer als leitfähiger Elektrolyt
Ausgangspunkt der Entwicklung ist ein Polysiloxan, das als Silikon bekannt ist und aufgrund seiner apolaren Struktur ursprünglich keine Ionen lösen kann. Für den Einsatz als Elektrolyt ist diese Eigenschaft entscheidend, da der Transport geladener Teilchen zwischen den Elektroden die Grundlage für das Laden und Entladen der Batterie bildet. Ohne ausreichende Löslichkeit und Beweglichkeit der Ionen bleibt das Material für diese Funktion ungeeignet.
Durch die funktionelle Modifikation des Polymer-Rückgrats ist es gelungen, diese Einschränkung gezielt zu überwinden. Die eingeführten funktionalen Gruppen ermöglichen die Aufnahme und den Transport von Ionen im Material, ohne die elastischen Eigenschaften des Silikons zu verändern. Damit entsteht ein Elektrolyt, der die Anforderungen an die Ionenleitung erfüllt und zugleich eine mechanische Anpassungsfähigkeit bietet, die sich deutlich von herkömmlichen festen Elektrolyten unterscheidet.
Elastizität und Stabilität im Batteriebetrieb
Beim Betrieb von Batterien mit Lithiummetall-Anoden bewegen sich Lithiumionen zwischen den Elektroden, wobei sie sich beim Laden wieder an der Anodenoberfläche ablagern. Dieser Prozess verläuft jedoch nicht gleichmäßig, sondern führt zur Bildung dendritischer Strukturen, die sich in Richtung Kathode ausbreiten und innerhalb weniger Ladezyklen Kurzschlüsse verursachen können. Die Verwendung eines festen Elektrolyten kann dieses Wachstum grundsätzlich einschränken.
Gleichzeitig entstehen beim Entfernen der Ionen aus der Anode Hohlräume, die den Kontakt zwischen Anode und Elektrolyt beeinträchtigen. Dies führt zu einem Verlust an Kapazität, da der Ionentransport nicht mehr durchgehend gewährleistet ist. Der entwickelte Elektrolyt verbindet hier zwei Eigenschaften in einem Material: Er ist ausreichend fest, um das Wachstum dendritischer Strukturen zu hemmen, und zugleich elastisch genug, um entstehende Hohlräume auszugleichen und den Kontakt zwischen den Komponenten aufrechtzuerhalten.
Verarbeitung, Skalierung und flexible Anwendungen
Der Elektrolyt kann zu Dünnschichten im Mikrometerbereich verarbeitet werden, was eine Integration in bestehende Batteriekonzepte ermöglicht. Diese Verarbeitbarkeit ist eine zentrale Voraussetzung für den praktischen Einsatz, da dünne und homogene Schichten für die Leistungsfähigkeit von Feststoffbatterien entscheidend sind. Gleichzeitig ist das Material skalierbar und lässt sich im industriellen Maßstab kostengünstiger herstellen als herkömmliche feste Polymer-Elektrolyten.
Neben der Funktion als Elektrolyt kann das Polymer auch als Bindematerial für die Kathode eingesetzt werden. Es lässt sich mit unterschiedlichen Aktivmaterialien kombinieren und eröffnet damit die Möglichkeit, Batteriesysteme für verschiedene Anforderungen auszulegen. In Verbindung mit geeigneten Elektrodenmaterialien sind zudem flexible Akkus realisierbar, die sich an ihre Umgebung anpassen und etwa in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden können, in denen bislang überwiegend starre Batteriesysteme verwendet werden, die für Patientinnen und Patienten oft hart und unbequem sind.
Die weitere Entwicklung konzentriert sich darauf, die Ionenleitfähigkeit des Silikon-basierten Elektrolyten zu steigern. Parallel dazu wird ein Industriepartner gesucht, um die Überführung der Technologie in eine industrielle Anwendung und damit die Kommerzialisierung vorzubereiten.
