Dünnschicht-Keramik für Minibatterien

Lithium-Ionen-Akkus können aufgrund der leicht brennbaren Flüssigkeit in ihrem Innern ein Risiko bergen. Diese Elektrolytflüssigkeit könnte allerdings in Zukunft durch einen unbrennbaren und zugleich hitzebeständigen Festkörper ersetzt werden. Neben der verbesserten Sicherheit wären auch die höhere Leistungsfähigkeit und eine längere Lebensdauer wesentliche Vorteile solcher Batterien.

Das Forschungsteam um Yaroslav Romanyuk an der Empa fokussiert auf Dünnschichttechnologien für die Entwicklung dieser neuen Festkörperbatterien. Der Elektrolyt in solch einer Batterie muss verschiedene Bedingungen erfüllen: Er muss eine sehr gute Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweisen und zugleich industriell möglichst günstig herstellbar sein.

Vom Brocken zur ultradünnen Schicht

Die Keramikverbindung LI₇La₃Zr₂O₁₂ (oder kurz LLZO) bringt hierfür die passenden Eigenschaften mit und stand im Fokus des Forschungsprojekts von Jordi Sastre, ein Doktorand an der Empa. Diese Keramik wird bislang zu Forschungszwecken in Form von sogenannten Pellets hergestellt, deren Grösse auf einige Zentimeter im Durchmesser limitiert ist. Für den Einsatz in Batterien müssen diese Pellets zunächst aufwändig poliert werden – ein zeitraubender Prozess, der mit hohen Materialverlusten einhergeht. Diese Methode ist also für eine industrielle Fertigung unbrauchbar.

Eine dünne LLZO-Schicht wäre die Lösung und böte zudem den Vorteil, dass die Lithium-Ionen schneller durch die Elektrolytschicht fliessen können – und damit die Leistung der Batterie steigt. Mit Hilfe einer Methode namens Magnetron-Sputtering gelang es Sastre nun, die LLZO-Keramik in Form eines ultradünnen Films herzustellen. Die Dicke dieses Films bewegt sich im Bereich von 500 Nanometern. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haars liegt in einem Bereich zwischen 40’000 und 100’000 Nanometern, es ist also rund 100-mal dicker.

Hundertfach bessere Leitfähigkeit

Messungen an der ultradünnen Materialschicht ergaben eine deutlich höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu bisher bekannten Materialien. Schon heute sind Festkörper-Mikrobatterien auf Basis von Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) erhältlich, ein amorphes, Glas-artiges Material. Die Leitfähigkeit des an der Empa entwickelten LLZO-Dünnfilms übertrifft die Leitfähigkeit von LiPON-Filmen um mehr als das Hundertfache.

Bei ihrer Arbeit behielten die Empa-Forscher immer auch die einfache, grosstechnische Herstellung des LLZO-Mikrofilms im Auge. Die Dünnfilme können bei Temperaturen von 600 bis 700 Grad Celsius hergestellt werden, im Vergleich zu bisher bekannten LLZO-Pellets, die mehr als 1100 Grad Celsius benötigen. Das macht den Prozess schneller, günstiger und zuverlässiger.

Effiziente Dünnfilm-Batterien in naher Zukunft

In einem nächsten Schritt konnten die Forscher das Material bereits in einer Laborversion einer Dünnfilm-Batterie testen. Und tatsächlich zeigte der neue LLZO-Dünnfilm auch in dieser Test-Batterie eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die bisher bekannten LiPON-Batterien.

LLZO-Festkörperbatterien sind vor allem für kleinere Geräte mit hohem Leistungsbedarf interessant, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik oder IoT-Geräten. Die Dünnfilm-Bauweise bei Festkörperbatterien verspricht kürzere Ladezeiten und eine längere Lebensdauer als bei heutigen, flüssigkeitsgefüllten Lithium-Ionen-Akkus.