Ob in der E-Mobilität oder in stationären Speichern: Feststoffbatterien versprechen mehr Speicherkapazität und mehr Sicherheit. Denn sie verwenden keinen flüssigen Elektrolyten mehr, sondern einen festen. Sie können daher nicht auslaufen, und auch die bei heutigen Batterien zwar sehr selten eintretende, aber immer wieder diskutierte Brandgefahr ist quasi nicht mehr vorhanden.
Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und japanischer Universitäten haben mit einer in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlichten Studie die Möglichkeit eröffnet, Feststoffbatterien leistungsfähiger zu machen. „Eine Batterie ist eine Art Pumpe“, erklärt Rüdiger Berger, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. „Im Inneren bewegen sich Ionen, also geladene Atome, was außen durch einen Elektronenfluss und damit einen Stromfluss ausgeglichen werden muss.“ Wenn die Ionen in der Batterie wandern, kann an den inneren Grenzflächen der Batterie eine sogenannte Raumladungsschichten entstehen. Diese stoßen die anderen wandernden Ionen ab. Diese Ladungsschicht erzeugt zusätzlichen Widerstand und damit Verluste innerhalb der Batterie – sie behindert sowohl den Lade- als auch den Entladevorgang.
Wie das Mainzer Team nun herausgefunden hat, tritt der Effekt vor allem an der positiven Elektrode auf, wo sich eine weniger als 50 Nanometer dicke Ladungsschicht bildet – so dünn wie der dünnste Teil einer Seifenblase. Darüber hinaus haben sie quantitativ festgestellt, dass die Raumladungsschicht dynamisch ist, das heißt, sie hängt vom Ladezustand der Batterie ab. Diese Raumladungsschicht macht etwa 7 Prozent des Gesamtwiderstands der Batterie aus, kann aber – je nach den für den Elektrolyten verwendeten Materialien – auch viel größer sein.
Untersuchung im laufenden Betrieb
Bislang war wenig über die Größe dieser Ladungsschicht und ihren Einfluss auf den Stromfluss bekannt. Verschiedene Forschungsteams weltweit haben diesen Effekt bereits in früheren Studien untersucht, kamen jedoch je nach verwendeter Methode zu völlig unterschiedlichen Größenordnungen für die Dicke der Ladungsschicht.
Das internationale Team um Rüdiger Berger untersuchte daher erstmals mit zwei mikroskopischen Methoden, wo und wie sich die Ladeschicht bildet. Die Herausforderung bestand darin, die Grenzschicht einer Modellbatterie mit mikroskopischen Methoden quasi im laufenden Betrieb und bei unterschiedlichen Ladezuständen zu untersuchen.
Genauer Blick auf Raumladungen
Für die aktuelle Studie untersuchten die Forschenden eine Dünnschicht-Modellbatterie, die sie eigens für diesen Zweck gebaut hatten, zum einen mit der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie und zum anderen mit der Nuclear Reaction Analysis. Mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie konnten sie den Querschnitt der Batterie – sozusagen eine aufgeschnittene Batterie – mit einer feinen Nadel abtasten.So erfuhren sie mehr über den lokalen Einfluss der Spannung und beobachteten in Echtzeit elektrische Potenziale. Mit der Nuclear Reaction Analysis wiesen sie die Anreicherung von Lithium an der Grenzfläche zum Pluspol der Batterie nach.
