Samsung entwickelt Li-ionen Akkus der Zukunft

Samsung entwickelt mit dem MIT in Boston Lithium-ionen Batterien in neuer Zusammensetzung. Kapazität, Lebensdauer und Sicherheit von Li-ionen Akkus erhöhen sich, durch den Einsatz von festen statt flüssigen Elektrolyten, maßgeblich.

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Vorteil der festen Elektrolyten

Elektrolyte sind neben Anode und Kathode die dritte notwendige Komponente in Batterien. Im Gegensatz zu den heute in den Stromspeichern befindlichen flüssigen Leitern soll sich die feste Form nicht abnutzen. Laut dem Projektteam vom MIT (Massachusetts Institute of Technology) und dem Samsung Advanced Institute of Technology verspricht der Einsatz von festen Elektrolyten Hunderttausende an Ladezyklen, ohne Kapazitätsverlust. Sie stellen keine Brandgefahr mehr dar, gleichzeitig verrichten die festen Verbindungen auch in Minusgraden ihren Dienst. Außerdem lässt sich die Kapazität um 20-30% erhöhen, wobei die Akkus sogar leichter sind.

Sicherheit durch Brandschutz

Ein weiterer Pluspunkt ist die erhöhte Sicherheit. Durch den Ausschluss beweglichen Materials stellen Überhitzung und leichte Entzündlichkeit keine Gefahr mehr dar. Weder Beschädigung noch Erschütterungen stören die festen Elektrolyten, wie die Forschung ergab. Brandgefahr ist einer der Gründe, warum Li-ionen Batterien heute so hohen Sicherheitsstandards unterliegen. Mit dem Einsatz des festen Grundstoffs ist das Problem eingeschränkt. Durch die geringeren Sicherheitsanforderungen reduzieren sich Transport- und Lagerkosten.

Gewichtsvorteil

Bei der Verwendung von flüssigen Elektrolyten müssen die einzelnen Zellen verkapselt sein, damit sie sich nicht gegenseitig berühren. Darauf können die Akkuhersteller bei festen Elektrolyten verzichten. Daher können die Batteriezellen einfach in Reihe gebaut werden, welches den gesamten Akku leichter macht.

Hintergrund

Bislang bekannte feste Elektrolyten waren nur bei Temperaturen zwischen 50 und 80 Grad Celsius ausreichend leitfähig. Die Funktionswerte waren gut, aber nicht für die Nutzung im Alltag brauchbar. Vor fünf Jahren gelang die entscheidende Wende. Die Forschungsgruppe schaffte es erstmals, feste Elektrolyten aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel (LGPS) zu bauen. Diese Zusammensetzung funktioniert auch bei niedrigen Temperaturen. Hier war allerdings das Problem, dass Germanium schon in geringen Mengen sehr teurer ist.

2016 scheint der Durchbruch gelungen zu sein. Denn die Forschungsgruppe hat eine Zusammensetzung gefunden, die LGPS entspricht, aber ohne Germanium auskommt. Auch die neue Verbindung erreicht ihren höchsten Wirkungsgrad bei Temperaturen um 100 Grad Celsius. Doch die Testläufe ergaben, dass nun Anwendung bei 20°-30° ebenfalls brauchbare Ergebnisse liefert. Und im Gegensatz zu Akkus, die flüssige oder die ersten festen Elektrolyte enthalten, fließen die Lithium-ionen sogar bei -30 Grad Celsius noch gut.

Forschungsergebnisse veröffentlicht, Marktreife dauert noch

Ihre Ergebnisse hat die Forschungsgruppe kürzlich im Wissenschaftsmagazin „Nature Materials“ in einem Postdoc Paper von Yan Wang veröffentlicht. Insgesamt besteht das Team aus mehreren Mitgliedern, die dem Samsung Forschungsinstitut, dem MIT und den Universitäten von Kalifornien und Maryland angehören.

Für die Ausreifung der „unendlich“ haltbaren Li-ionen Akkus dauert es wohl noch ein wenig länger. Zur Zeit arbeitet das Team mit wenige hundert Mikrometer dicken Testbatterien. Diese sind bislang nur in aufwändigen Labor-Verfahren herzustellen. Bis zur Markteinführung in Anwender-Akkus muss also noch einiges in die weitere Erforschung investiert werden. Danach will man sich an günstige Herstellungsprozesse machen.