Bei dem Feststoff-Akku handelt es sich noch um einen Prototyp im Labormaßstab, der ungefähr die Größe einer Knopfzelle hat. Im Labor wurde eine Ladezeit von bis zu drei Minuten realisiert und eine Lebensdauer von mehr als 10.000 Lade-Zyklen – das sind im Vergleich zu aktuellen Batterien gut dreimal so viele Zyklen. Die Ergebnisse wurden unter anderem in der Fachzeitschrift "Nature" und anderen Fachpublikationen veröffentlicht.
Akku auf Normalmaß kommt
Der Akku-Prototyp weist außerdem eine hohe Energiedichte sowie eine gute Materialstabilität auf. Damit soll die neuartige Feststoffbatterie anderen Lithium-Batterien in Sachen Sicherheit überlegen sein. Innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre will das Start-up zunächst eine Pouchzelle von der Größe einer Handfläche entwickeln und diese dann bis zu einer vollwertigen Fahrzeug-Batteriegröße skalieren.
Adden Energy wurde 2021 von Xin Li zusammen mit William Fitzhugh und Luhan Ye gegründet, die beide als Doktoranden im LIS Harvard-Labor (Laboratory for Innovation Science an der Havard University) an der Entwicklung der Technologie beteiligt waren. Für die Skalierung hat das Start-up eine exklusive Technologielizenz der Universität sowie eine Anschubfinanzierung von rund fünf Millionen US-Dollar erhalten.
Festkörper-Akku-Problem gelöst
Volles Potenzial entfaltet die Festkörpertechnologie mit Anoden aus reinem Lithium-Metall – das reduziert den Anteil nicht produktiven Grafits und erhöht damit die Energiedichte. Bei bisherigen Lithium-Metall-Batterien war aber die sogenannte Dendriten-Bildung ein großes Problem. Dabei lagern sich die Lithium-Ionen wie Stalaktiten an der Elektrode an; diese nadelförmigen Ablagerungen durchdringen die Grenzschichten der Batterie und können Kurzschlüsse sowie in der Folge Brände auslösen.
Um das zu verhindern, entwarfen Li und sein Team eine Mehrschichtbatterie, die verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Stabilitäten zwischen Anode und Kathode einschließt. Diese mehrschichtige Batterie aus mehreren Materialien verhindert das Eindringen von Lithiumdendriten, obwohl sie sie nicht vollständig stoppt, aber sie kontrolliert und eindämmt.
Sandwich-Bauweise kontrolliert Dendriten-Bildung
Die Forscher beschreiben den Aufbau ihres Akkus wie ein Sandwich: Zuerst komme das Brot – die Lithium-Metall-Anode – gefolgt von Salat – einer Beschichtung aus Grafit. Als nächstes schließt sich eine Schicht Tomaten an – der erste Elektrolyt – und eine Schicht Speck – der zweite Elektrolyt. Abgeschlossen werde das Ganze von einer weiteren Schicht Tomaten und dem letzten Stück Brot – der Kathode.
Der erste Elektrolyt bindet Lithium stabiler, ist aber anfälliger für das Eindringen von Dendriten. Der zweite Elektrolyt bindet Lithium schwächer, scheint aber gegenüber Dendriten immun zu sein. Bei diesem Design können Dendriten durch Grafit und den ersten Elektrolyten wachsen, werden jedoch gestoppt, wenn sie den zweiten erreichen. In der Sandwich-Nomenklatur heißt das: Die Dendriten wachsen durch den Salat und die Tomate, hören aber beim Speck auf. Die Speckbarriere verhindert, dass die Dendriten durchdringen und die Batterie kurzschließen.
"Unsere Strategie, Instabilität zu integrieren, um die Batterie zu stabilisieren, wirkt kontraintuitiv. Aber genau wie ein Dübel eine Schraube, die in eine Wand geht, führen und kontrollieren kann, kann auch unser mehrschichtiges Design das Wachstum von Dendriten steuern und kontrollieren", erklärt Luhan Ye, Co-Autor von Vorarbeiten zur neuen Akku-Technik.
In unserer Fotoshow zeigen wir Ihnen, wo in Deutschland Batterien gefertigt werden.
Fazit
Ein Start-up von Harvard-Doktoranden hat eine neue Feststoffbatterie entwickelt, die besonders schnell lädt, eine hohe Energiedichte hat und viele Ladezyklen überlebt. Innerhalb von fünf Jahren soll ein Akku für Elektroautos entstehen.
