PSI entwickelt Verfahren für stabile und langlebige Festkörperbatterien

Festkörperbatterien heissen so, weil sie einen festen Elektrolyten enthalten. Diese Elektrolyten ermöglichen den Ionenfluss zwischen Anode und Kathode und sind somit zentrale Bauteile für wiederaufladbare Batterien. Im Gegensatz zu den klassischen Lithiumionen-Batterien enthalten Festkörperbatterien keine brennbaren flüssigen Komponenten. Deshalb gelten Festkörperbatterien als sicher und sind sie den Lithiumionen-Batterien überlegen, wie das Paul Scherrer Institut (PSI) schreibt. Das Lithiummetall als Anode soll zudem höhere Energiedichten ermöglichen.

Als Lösung zur Verbesserung der Elektromobilität, mobiler Elektronik sowie stationärer Energiespeicherung setzen Forschende am PSI auf Festkörperbatterien. Dabei gebe es gemäss dem Forschungsinstitut jedoch zwei zentrale Probleme: Einerseits die Bildung von Lithiumdendriten an der Anode und andererseits die elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten.

Links ein poröser Festelektrolyt mit Lithiumdendriten, rechts ein dicht gesinterter Festelektrolyt mit stabilisierender Lithiumfluorid-Beschichtung (blau). (Source: Jinsong Zhang / Paul Scherrer Institut)

Die Forschenden sind davon überzeugt, eine Lösung gefunden zu haben. "Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren", erklärt Mario El Kazzi, Leiter der Forschungsgruppe Batteriematerialien und Diagnose am PSI.

Lithiumdendriten dringen in Hohlräume ein

Die Forschenden untersuchten in ihrer Studie einen sulfidbasierten Festelektrolyten aus Lithium, Phosphor und Schwefel, den sogenannten Argyrodit-Typ, wie es in der Mitteilung heisst. Die hohe Lithiumionenleitfähigkeit führe zu einem schnellen Ionentransport innerhalb der Batterie und erfülle damit die Voraussetzung für hohe Leistung und effiziente Ladeprozesse. Bisher scheiterte das Ganze jedoch an der Verdichtung des Festelektrolyten. In den bestehenden Hohlräumen können Lithiumdendriten eindringen - winzige nadelartige Metallstrukturen, die sich in Richtung Kathode ausbreiten und zu internen Kurzschlüssen führen, wie das PSI schreibt.

Um den Festelektrolyten zu verdichten, habe es bisher zwei Ansätze gegeben: das Material bei Raumtemperatur unter sehr hohem Druck pressen oder Heisspressverfahren bei über 400 Grad Celsius (klassisches Sintern). Das Sintern soll Partikel durch Wärme und Druck zu einer dichteren Struktur verschmelzen. Jedoch bestehe das Risiko, dass der Festelektrolyt zersetzt werde, schreibt das PSI weiter. Pressen bei Raumtemperatur wiederum führe zu einer porösen Mikrostruktur und übermässigem Kornwachstum.

El Kazzi und sein Team untersuchten deshalb einen Temperatur-Trick. Sie entwickelten laut dem Forschungsinstitut ein sanfteres Sinterverfahren unter mässigem Druck und bei moderaten Temperaturen von etwa 80 Grad Celsius. Die Partikel ordneten sich demnach wie gewünscht an, ohne dass die chemische Stabilität des Materials beeinträchtigt wurde - poröse Stellen wurden kompakter und Hohlräume schlossen sich. Diese Struktur sei gegen das Eindringen von Lithium-Dendriten gewappnet.

Eine Beschichtung verhindert elektrochemische Zersetzung

Für das Problem der elektrochemischen Instabilität an der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem Festelektrolyten setzte die Forschungsgruppe auf eine Beschichtung. Die 65 Nanometer dünne Beschichtung aus Lithiumfluorid werde unter Vakuum verdampft und gleichmässig als ultradünner Film auf der Lithium-Oberfläche aufgetragen. Sie übernehme damit die Funktion einer Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt.

Jinsong Zhang (links) und Mario El Kazzi mit einer Testzelle einer Festkörperbatterie. (Source: Mahir Dzambegovic / Paul Scherrer Institut)

Die Zwischenschicht sorgt gemäss Forschungsinstitut dafür, dass die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten bei Kontakt mit Lithium unterdrückt wird. Die Schicht diene zudem als physikalische Barriere gegen Lithiumdendriten.

Das Forschungsteam demonstrierte laut Mitteilung bei Laborversuchen eine aussergewöhnliche Leistung einer solchen Knopfzellenbatterie. "Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert", betont Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Die Zelle habe nach 1500 Auf- und Entladevorgängen noch etwa 75 Prozent der ursprünglichen Kapazität behalten. "Ein herausragendes Ergebnis. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden", sagt er. Der Forscher sieht demnach gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien bei der Energiedichte und Haltbarkeit künftig übertreffen könnten.

Das neue Verfahren des Forschungsteams markiere einen wichtigen Fortschritt für die Festkörperbatterieforschung, teilt das Forschungsinstitut mit. Der Ansatz bringe ökologische und wirtschaftliche Vorteile durch die niedrigeren Temperaturen. "Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis", erklärt El Kazzi. "Noch ein paar zusätzliche Anpassungen - und wir könnten loslegen."

Das könnte Sie ebenfalls interessieren: Im November 2025 ist das Swiss Photonic Integration Center im Park Innovaare in Villigen eröffnet worden. Der Bund, PSI, OST, Swissphotonics sowie Ligentec und Polariton Technologies bauten das Zentrum gemeinsam auf. Lesen Sie hier mehr dazu.