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Anodenfreie Festkörperbatterien

Figure: Jan Ole Weiershäuser.
Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Anodenfreien Festkörperbatterie, wie sie von unserer Arbeitsgruppe verwendet wird.

Zusammenfassung:

Anodenfreie Festkörperbatterien (engl. anode-free solid-state batteries, AFSSBs) könnten eine vielversprechende Energiespeichertechnologie der nächsten Generation darstellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Metall-Batterien, die eine vorgeformte Lithium-Metall-Anode enthalten, wird bei der Herstellung von AFSSBs kein Anodenaktivmaterial benötigt. Stattdessen wird Lithium auf einen blanken Stromabnehmer abgeschieden, der beim ersten Ladevorgang als Arbeitselektrode fungiert (siehe Abbildung 1). Dies vereinfacht die Zellarchitektur und reduziert die Masse an inaktiven Materialien. Der größte Vorteil einer anodenfreien Festkörperbatterie liegt somit in ihrer deutlich erhöhten Energiedichte.

Zwei schematische Darstellungen von anodenlosen Festkörperbatterien, die sich in der Lage des abgeschiedenen Lithiums unterscheiden. In der mit A gekennzeichneten Batterie wird das Lithium zwischen dem Stromkollektor und den Kohlenstoffpartikeln abgeschieden. In der mit B gekennzeichneten Batterie wird das Lithium zwischen dem Kohlenstoff und dem Elektrolyten abgeschieden, was zu einer ungleichmäßigeren, welligen Oberfläche am Elektrolyten führt.
Figure: Jan Ole Weiershäuser.
Abbildung 2: Ort der Lithiumabscheidung für die beiden Möglichkeiten: A) Abscheidung von Lithium zwischen dem Stromabnehmer und der Kohlenstoff-Schicht und B) Abscheidung von Lithium zwischen dem Festelektrolyten und dem Stromabnehmer.

Eine große Herausforderung bleibt jedoch die stabile und reversible Abscheidung und Abtragung von Lithium ohne Dendritenbildung. Um dies zu erreichen, wird eine zusätzliche Schicht aus Kohlenstoffpartikeln eingebracht, die als Separator fungiert, um die Dendritenbildung zu unterdrücken. Sie hält die Festelektrolytschicht von der sich bildenden Lithiummetallschicht fern und sorgt so für eine gleichmäßigere Lithiumabscheidung auf dem Stromabnehmer. Die Lithiumabscheidung an der Grenzfläche zwischen Stromabnehmer und Kohlenstoff ist in Abbildung 2.A dargestellt. Eine unerwünschte Lithiumabscheidung an der Grenzfläche zwischen Kohlenstoff und Festelektrolyt (siehe Abbildung 2.B) sollte durch ein geeignetes Zelldesign vermieden werden. 

Zwei Bilder. Das eine zeigt schematisch den Herstellungsprozess einer Kohlenstoffzwischenschicht. Das andere Bild zeigt die Anlage und eine Kohlenstoffzwischenschicht auf einem Kupferstromkollektor.
Figure: Jan Ole Weiershäuser.
Abbildung 3: A) Schematische Darstellung der Herstellung der Kohlenstoff-Schicht. B) Foto einer Kohlenstoff-Schicht auf einem Kupferstromabnehmer, zusammen mit dem automatischen Filmziehgerät.

In unserer Forschungsgruppe stellen wir verschiedene Kohlenstoff-Schichten her, indem wir eine Suspension mittels Rakel auf einen Stromabnehmer auftragen (siehe Abbildung 3). Die Suspension enthält die gewünschten Kohlenstoffpartikel, ein polymeres Bindemittel (PVDF) und ein organisches Lösungsmittel, das während des Trocknungsprozesses verdunstet. Wir untersuchen das Verhalten der verschiedenen Kohlenstoff-Schichten in Festkörperbatterien. Darüber hinaus untersuchen wir die sich bildenden Grenzflächen auf der Anodenseite. 

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Hervorgehobene Publikationen:

  • Y.-G. Lee S. Fujiki et al., 'High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes', Nat. Energy 5 (2020), 299–308. doi:10.1038/s41560-020-0575-z
  • D. W. Liao, D. Zeng et al., 'Effects of Interfacial Adhesion on Lithium Plating Location in Solid-State Batteries with Carbon Interlayers', Adv. Mater. 37 (2025), 2502114. doi:10.1002/adma.202502114