Wie ist eine Solid-State-Batterie aufgebaut? Wie unterscheidet sich diese Batterie von heutigen Systemen? Was ist eine Semi-Solid-State-Batterie? Dieser Artikel gibt einen Überblick.
Solid State Batterien unterscheiden sich in einigen Punkten von konventionellen Li-Ionen-Akkus. Die innere Struktur hängt dabei davon ab, um welche Variante es sich handelt.Solid State Batterien unterscheiden sich in einigen Punkten von konventionellen Li-Ionen-Akkus. Die innere Struktur hängt dabei davon ab, um welche Variante es sich handelt. Der allgemeine Aufbau einer (Lithium-) Zelle ist in der Regel sehr ähnlich. Grundsätzlich besteht eine Batterie aus zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einem Separator. Die zwei Elektroden befinden sich dabei in einem Elektrolyt, der es Ionen ermöglicht sich durch die Zelle zu bewegen. Der Separator trennt dabei Anode und Kathode. Er ist durchlässig für Ionen, wirkt jedoch als Sperrschicht für Elektronen. Anode und Kathode sind jeweils mit einem Stromableiter (Kupfer oder Alu) verbunden. Die Stromableiter sind dann der Plus- und Minuspol der jeweiligen Batterie. [1, p.14ff]
Normalerweise liegt das Elektrolyt in einer flüssigen oder gelförmigen (Lithium-Polymer-Akkus) Form vor. Das Elektrolyt kann aufgrund seiner Viskosität die beiden Elektroden sehr gut kontaktieren. Die Idee von Solid State Batterien besteht nun darin, das flüssige oder gelförmige Elektrolyt durch ein festes Elektrolyt auszutauschen. Das feste Elektrolyt fungiert dabei gleichzeitig als Separator, sodass dieser als eigenständige Komponente entfällt [2 p.2]
Innerhalb der Solid State Batterien gibt es dabei noch die Unterscheidung zwischen All Solid State Batterien (ASSB) und Semi Solid State Batterien (SSSB). Bei All Solid State Batterien wird ausschließlich ein festes Elektrolyt verwendet. Semi Solid State Batterien stellen eine Hybridvariante zwischen All Solid State Batterien und konventionellen Batterien mit flüssigem Elektrolyt dar: neben dem festen Elektrolyt gibt es zusätzlich noch ein einige Volumenprozent einnehmendes flüssiges Elektrolyt, welches die Kontaktierung zwischen dem Elektrolyt und der Elektroden verbessert. Durch die verbesserte Kontaktierung wird ein deutlich niedrigerer Innenwiderstand und damit eine höhere Leistung erreicht [3]. In Abbildung 1 ist der Aufbau der verschiedenen Technologien dargestellt.
Abbildung 1: Aufbau von konventioneller Li-Ionen Batterie (a) im Vergleich zur Semi-Solid-State-Batterie (b) und All-Solid-State-Batterie (c), Eigene Darstellung
Überblick über die verwendeten Materialien
Kathode: Als Kathodenmaterial kann grundsätzlich das gleiche Material wie für Li-Ionen-Batterien verwendet werden. Dementsprechend wird häufig NMC (Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid) oder NCA (Nickel-Kobalt-Aluminum) verwendet, da diese eine hohe Energiedichte ermöglichen und auch die am meisten verwendeten Materialien für Li-Ionen-Batterien sind [4].
Anode: Als Anodenmaterial ist ebenfalls das gleiche Material für Li-Ionen-Batterien möglich. Für heutige Flüssig-Elektrolyt-Zellen wird in der Regel Grafit eingesetzt und es besteht viel Praxiserfahrung mit diesem Material. Einer der Ziele bei der Entwicklung der Solid-State-Batterie ist es, die Energiedichte der Zelle zu erhöhen. Mit normalem Grafit als Anodenmaterial kann allerdings keine nennenswerte Steigerung der Energiedichte erreicht werden. Stattdessen wird Li-Metall als Anodenmaterial in der Forschung viel untersucht. Dieses hat eine theoretische Energiedichte von 3860 mAh/g [5]. Im Vergleich dazu erreicht eine klassische Graphitanode lediglich 372 mAh/g [6]und damit nur ein Zehntel von Li-Metall. In der Praxis wird jedoch lediglich eine Verdopplung der Kapazität im Vergleich zu heutigen Systemen erwartet[7]. Der Einsatz von Li-Metall ist bis heute allerdings mit einigen erheblichen Schwierigkeiten verbunden, was insbesondere an der hohen Reaktivität von Lithium liegt und andererseits an der Tendenz, dass das Metall zur Bildung von Dendriten neigt. Dendriten sind Speerartige Ablagerungen, die sich auf der Anode bilden können und die in der Lage sind, das Elektrolyt zu durchstechen und einen Kurzschluss auszulösen. Es ist Gegenstand der Forschung, das Ausbilden der Dendriten zu unterdrücken (vgl. z.B.[8]). Eine Alternative zu Li-Metall ist Silizium. Es ist prognostiziert, dass damit die volumetrische Energiedichte um über 40 % gesteigert werden kann. Allerdings neigt das Material zu extremen Volumenänderungen während dem Laden und Entladen, weshalb hier noch weitere Forschungsarbeit nötig ist [9]
Elektrolyt: Als Elektrolyt gibt es diverse Materialien, die in Frage kommen. Grundsätzlich lassen sich die Elektrolyte in drei Gruppen einteilen: Polymere, Oxide und Sulfide. Bei den Polymeren ist die Entwicklung bereits am weitesten vorangeschritten und es gibt erste Kleinserienfertigungen. Für Oxide und Sulfide gibt es noch einige Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um die Serienreife zu erlangen. Mehr Informationen zu den Unterschieden und Herausforderungen der Elektrolyten finden sich hier analysiert.
Quellen
[1] Korthauer, Reiner (2013): Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Frankfurt
[2]Nithyadharseni Palaniyandy, K.P. Abhilash, B. Nalini (2022): Solid State Batteries: Design, Challenges and Market Demands, South Africa, Czech republic, India
[3]Wood Mackenzie: Will semi-solid battery technology render solid-state batteries redundant?, https://www.woodmac.com/news/opinion/will-semi-solid-battery-technology-render-solid-state-batteries-redundant/
[4] Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI: Solid-State Battery Roadmap 2035+, Karlsruhe, 2022
[5] Li, D., Liu, H. et al.: Challenges and Developments of High Energy Density Anode Materials in Sulfide-Based Solid-State Batteries, 2022, Chemistry Europe
[6] Andersen, H., Foss, C. et al. : Silicon-Carbon composite anodes from industrial battery grade silicon, 2019, scientific reports
[7] Mun Sek Kim : Lithium Metal Anode for Batteries, 2020, Stanford, Lithium Metal Anode for Batteries (stanford.edu)
[8] Sastre J. , Futscher, M. et al.: Blocking lithium dendrite growth in solid-state batteries with an ultrathin amorphous Li-La-Zr-O solid electrolyte, 2021, Communication Materials
[9] Piwko M.: Siliziumanoden zur Steigerung der Energiedichte von Lithium-Batterien, 2016, Fraunhofer, Siliziumanoden zur Steigerung der Energiedichte von Lithium-Batterien (fraunhofer.de)
