Festkörperakkumulator

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Ein Festkörperakkumulator, auch Feststoffbatterie genannt, ist eine spezielle Bauform von Akkumulatoren, bei der beide Elektroden und auch der Elektrolyt aus festem Material bestehen.

Aufbau und Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aufbau eines Lithium-Luft-Akkumulators mit einem Festkörperelektrolyten

Feste Elektrolyte sind sehr gute Leiter für Ionen (Ionenleiter). Dabei beruht der Ladungstransport in Festkörperelektrolyten auf Sprüngen von Ionen zwischen definierten Plätzen in einer Festkörpermatrix.[1] Diese gute Leitfähigkeit für Ionen ist für eine gute Leistung sowohl des Elektrolyten als auch der Elektroden notwendig. Andererseits sind feste Elektrolyte sehr gute Isolatoren in Bezug auf Elektronen, was in Elektrolyten (im Gegensatz zu den Elektroden) auch genauso gewünscht ist. Die hohe Leitfähigkeit für Ionen minimiert den internen elektrischen Widerstand des Akkumulators und erlaubt dadurch eine hohe Leistungsdichte, während gleichzeitig der hohe Widerstand gegenüber den Elektronen die Selbstentladungsrate des Akkumulators minimiert und dadurch ihre Lebensdauer bzw. Lagerfähigkeit verlängert.

Gegenwärtige Lithium-Luft-Festkörperakkumulatoren verwenden eine Anode aus Lithium, einen Elektrolyten, der entweder aus einer Keramik bzw. aus Glas oder aber aus einem Glas-Keramik-Kompositmaterial besteht sowie eine Kathode aus porösem Kohlenstoff. Die Anode und Kathode sind i.d.R. vom Elektrolyten durch Polymer-Keramik-Verbundstoffe getrennt, die den Ladungstransfer an der Anode verbessern und die Kathode elektrochemisch mit dem Elektrolyten verbinden. Die Polymer-Keramik-Verbundstoffe dienen dazu, den Widerstand zu verringern.[2]

Beispiele für solche Ionenleiter sind Ag4RbI5 für den Ladungstransport von Ag+-Ionen und LiI/Al2O3-Mischungen für den Ladungstransport von Li+-Ionen.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Festkörperakkumulatoren weisen grundsätzlich die folgenden beiden Eigenschaften auf: niedrige Leistungsdichte und hohe Energiedichte. Die erste Beschränkung tritt wegen der Schwierigkeit auf, hohe Ströme über Festkörper-Festkörper-Grenzflächen zu übertragen. Andererseits haben diese Akkumulatoren gewisse Vorteile, die diesen Nachteil aufwiegen: Sie sind leicht zu miniaturisieren (sie können z. B. in Form einer dünnen Schicht gefertigt werden), und die Gefahr, dass der Elektrolyt durch Undichtigkeiten den Akkumulator beschädigen könnte, besteht nicht. Sie haben in der Regel eine sehr lange Lebensdauer und Lagerfähigkeit und zeigen gewöhnlich auch bei Temperaturschwankungen (die bei flüssigen Elektrolyten zu Einfrieren oder Sieden des Elektrolyten führen können) keine abrupten Veränderungen ihrer Leistung. Als weiterer Vorteil von Festkörperakkumulatoren (im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren) kommt hinzu, dass sie nicht entflammbar sind.[3]

Der Hauptnachteil von Festkörperakkumulatoren ist die geringe Ionen-Leitfähigkeit der meisten Glas-Keramik-Elektrolyten. Die Ionen-Leitfähigkeit der gegenwärtigen Festkörper-Elektrolyten ist noch immer geringer als die Ionen-Leitfähigkeit von flüssigen Elektrolyten.[2]

Die Volumen-Leistungs-Dichte bestimmt die Größe, die Masse-Leistungs-Dichte das Gewicht der Zellen. Bei der Elektromobilität spielt diese eine wesentliche Rolle. Das Ragone-Diagramm verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Leistungsdichte und Energiedichte. Laut IBM-Forschern liegt die theoretisch erreichbare spezifische Energie der Lithium-Luft-Akkumulatoren (ohne Gewicht des Luftsauerstoffes) bei mehr als 11 kWh pro Kilogramm (kWh/kg), praktisch bei etwa einem Zehntel des theoretischen Wertes.[4]

Bisherige Lithium-Ionen-Akkumulatoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zu den Nachteilen von gegenwärtigen Lithium-Ionen-Akkumulatoren gehören z. B. notwendige Kühl- und sonstige Vorrichtungen, die mehr als die Hälfte eines Lithium-Ionen-Akkumulators ausmachen können. Des Weiteren sind die meisten flüssigen Elektrolyten brennbar, was zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen erfordert. Um die Lebensdauer der Elektroden zu verlängern, muss der Akkumulator auch noch gekühlt werden und es muss verhindert werden, dass der Akkumulator zur Gänze geladen bzw. entladen wird.[5] Die Festkörperakkumulatoren der Firma Sakti3 basieren prinzipiell zwar noch immer auf der Lithium-Ionen-Technologie, jedoch wird der flüssige Elektrolyt hierbei durch eine dünne Schicht eines Festkörperelektrolyten ersetzt, welcher nicht brennbar ist. Einige Prototypen waren auch ziemlich robust: sie überstanden Tausende von Lade-Entlade-Zyklen.[5]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Festkörperelektrolyte – Institut für Festkörperphysik – Technische Universität Darmstadt. Abgerufen am 2. November 2013.
  2. a b Binod Kumar, Jitendra Kumar: Cathodes for Solid-State Lithium–Oxygen Cells: Roles of Nasicon Glass-Ceramics. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 157, Nr. 5, 5. Januar 2010, S. A611–A616, doi:10.1149/1.3356988.
  3. Infinite Power Solutions stellt papierdünnen Akku vor. In: elektroniknet.de. 6. Juni 2012, abgerufen am 2. November 2013.
  4. Das Battery 500-Projekt: 800 km Reichweite für Elektroautos. IBM, abgerufen am 12. Dezember 2013.
  5. a b Kevin Bullis: Solid-State Batteries. In: MIT Technology Review. Mai 2011, abgerufen am 2. November 2013.