Eine aktuelle Studie zur Bewertung von Festelektrolyten des Granattyps für Lithium-Metall-Batterien kommt zu dem Ergebnis, dass die erwarteten Vorteile bei der Energiedichte möglicherweise überbewertet werden. Die Studie zeigt, dass eine Lithium-Metall-Batterie (ASSLMB), die Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO) verwendet, eine gravimetrische Energiedichte von nur 272 Wh/kg erreichen würde, eine marginale Steigerung gegenüber den 250 bis 270 Wh/kg, die aktuelle Lithium-Ionen-Batterien bieten. Angesichts der hohen Produktionskosten und der Schwierigkeiten bei der Herstellung von LLZO deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Verbund- oder Quasi-Festkörperelektrolyte eine praktikablere Alternative darstellen könnten.
Die Studie zeigt, dass selbst mit einem ultradünnen 25 μm großen LLZO-Keramikseparator und einer Hochkapazitätskathode die Leistung der Batterie nur geringfügig über der der besten herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen liegt.
Ein Hauptproblem, das in der Studie hervorgehoben wird, ist die Dichte von LLZO, die die Gesamtmasse der Zelle erhöht und die erwarteten Energievorteile verringert. Obwohl die volumetrische Energiedichte etwa 823 Wh/L erreicht, behindern das zusätzliche Gewicht und die Kosten von LLZO seine Praxistauglichkeit. Darüber hinaus erschweren die Sprödigkeit des Materials, die Schwierigkeiten bei der Herstellung defektfreier dünner Schichten und die Probleme mit Lithiumdendriten und Hohlräumen an der Grenzfläche die Umsetzung in großem Maßstab. „LLZO ist aus Sicht der Stabilität ein hervorragendes Material, aber seine mechanischen Einschränkungen und sein geringes Gewicht stellen ein ernsthaftes Hindernis für die Kommerzialisierung dar“, erklärt Eric Jianfeng Cheng, Hauptautor der Studie und Forscher am WPI-AIMR, Tohoku University.
Als Alternative erforschen die Forscher hybride Ansätze, bei denen LLZO mit anderen Materialien kombiniert wird. Eine vielversprechende Strategie sind LLZO-in-Polymer-Verbundelektrolyte, die eine hohe Ionenleitfähigkeit beibehalten und gleichzeitig die Flexibilität und Herstellbarkeit verbessern. Ein weiterer Ansatz sind Quasi-Festkörper-LLZO-Elektrolyte, die eine kleine Menge eines flüssigen Elektrolyten enthalten, um den Ionentransport und die strukturelle Integrität zu verbessern. Diese Hybridkonstruktionen haben eine verbesserte Langzeitstabilität gezeigt. (jr)
