Neues Verfahren für stabile und langlebige Festkörperbatterien
Forschenden des Paul Scherrer Instituts (PSI) ist ein bedeutender Fortschritt auf dem Weg zur praktischen Anwendung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien gelungen.
Die nächste Generation von Akkus verspricht höhere Energiedichten, mehr Sicherheit und kürzere Ladezeiten als heutige Lithiumionen-Batterien – und gilt als Schlüsseltechnologie für Elektromobilität, mobile Elektronik und stationäre Energiespeicher.
Festkörperbatterien verzichten auf brennbare flüssige Elektrolyte und gelten daher grundsätzlich als sicherer. Dennoch stehen ihrer Marktreife bislang zwei zentrale Herausforderungen im Weg: die Bildung von Lithiumdendriten – feine, nadelartige Metallstrukturen, die Kurzschlüsse verursachen können – sowie die elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche zwischen Lithium-Metall-Anode und Festelektrolyt. Beide Effekte beeinträchtigen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterien erheblich.
Ein Team um Mario El Kazzi, Leiter der Gruppe Batteriematerialien und Diagnose am PSI, hat nun ein neues Fertigungsverfahren entwickelt, das genau diese beiden Probleme adressiert. «Wir haben zwei Ansätze kombiniert, die gemeinsam sowohl den Elektrolyten verdichten als auch die Grenzfläche zum Lithium stabilisieren», erklärt El Kazzi. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Advanced Science veröffentlicht.Das Problem der Verdichtung
Im Zentrum der Studie steht der sulfidbasierte Festelektrolyt Li₆PS₅Cl (LPSCl) aus der sogenannten Argyrodit-Familie. Dieses Material zeichnet sich durch eine besonders hohe Lithiumionenleitfähigkeit aus – eine entscheidende Voraussetzung für leistungsfähige und schnell ladende Batterien. Bisher scheiterte der Einsatz jedoch häufig daran, den Elektrolyten ausreichend zu verdichten. In porösen Strukturen können sich Hohlräume bilden, in die Lithiumdendriten eindringen und die Batterie schädigen.
Bisherige Verdichtungsstrategien hatten jeweils gravierende Nachteile: Starkes Pressen bei Raumtemperatur führte zu porösen Mikrostrukturen und unerwünschtem Kornwachstum, während klassische Heisspress- oder Sinterverfahren bei Temperaturen über 400 Grad Celsius das Risiko einer chemischen Zersetzung des Elektrolyten bergen.
Sanftes Sintern bei niedriger Temperatur
Die PSI-Forschenden wählten deshalb einen neuen, schonenderen Ansatz. Sie pressten das Argyrodit-Material unter mässigem Druck bei einer moderaten Temperatur von rund 80 Grad Celsius. Dieses «sanfte Sintern» reichte aus, um die Partikel dicht und homogen anzuordnen, ohne die chemische Stabilität des Materials zu beeinträchtigen. Poren und Hohlräume wurden geschlossen, die Mikrostruktur verdichtete sich – eine entscheidende Voraussetzung, um das Eindringen von Lithiumdendriten zu verhindern und gleichzeitig einen schnellen Ionentransport zu ermöglichen.
Allein dieser Schritt war jedoch noch nicht ausreichend, um die Batterie auch bei hohen Stromdichten stabil zu betreiben, wie sie etwa beim Schnellladen auftreten.
Ultradünne Schutzschicht gegen Dendriten
Als zweiten Baustein brachten die Forschenden eine nur 65 Nanometer dünne Schicht aus Lithiumfluorid (LiF) auf der Oberfläche der Lithium-Metall-Anode auf. Die Beschichtung wurde unter Vakuum verdampft und bildet eine gleichmässige Passivierungsschicht an der Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt.
Diese Zwischenschicht erfüllt gleich zwei Funktionen: Sie verhindert die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten im Kontakt mit Lithium und unterdrückt damit die Bildung von inaktivem, sogenanntem «totem» Lithium. Gleichzeitig wirkt sie als physikalische Barriere gegen das Wachstum und Eindringen von Lithiumdendriten in den Festelektrolyten.
Herausragende Ergebnisse im Dauertest
In Laborversuchen mit Knopfzellen zeigte die neu entwickelte Festkörperbatterie eine aussergewöhnliche Leistungsfähigkeit. «Die Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert», sagt Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie. Nach 1500 Lade- und Entladezyklen verfügte die Zelle noch über rund 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. «Das sind Bestwerte im internationalen Vergleich», so Zhang. Solche Ergebnisse nähren die Hoffnung, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien in absehbarer Zeit sowohl bei der Energiedichte als auch bei der Lebensdauer übertreffen könnten.
Schritt Richtung industrielle Anwendung
Mit der Kombination aus mildem Sintern des Festelektrolyten und einer ultradünnen Passivierungsschicht auf der Lithium-Anode zeigt das PSI-Team erstmals einen wirksamen Weg, zwei der grössten Hürden der Festkörperbatterieforschung gleichzeitig zu überwinden. Darüber hinaus bringt das Verfahren ökologische und wirtschaftliche Vorteile mit sich: Die niedrigen Prozesstemperaturen sparen Energie und senken die Produktionskosten.
«Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis», sagt El Kazzi. «Mit einigen zusätzlichen Anpassungen könnte diese Technologie bald für den Einsatz bereit sein.»
Was sind Festkörperbatterien?
Elektrolyte ermöglichen in Batterien den Transport von Ionen zwischen Anode und Kathode. Während herkömmliche Lithiumionen-Batterien flüssige Elektrolyte verwenden, setzen Festkörperbatterien auf feste Materialien. Das erhöht die Sicherheit, da keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten sind. Zudem erlauben Festkörperbatterien den Einsatz von Lithium-Metall-Anoden, die deutlich höhere Energiedichten ermöglichen – ein entscheidender Vorteil für Elektrofahrzeuge mit grösserer Reichweite und langlebige Energiespeicher.
- „Synergistic Effects of Solid Electrolyte Mild Sintering and Lithium Surface Passivation for Enhanced Lithium Metal Cycling in All-Solid-State Batteries“ | Advanced Science, 08.01.2026 | DOI: 10.1002/advs.202521791
