Festkörperelektrolyte

Festkörperelektrolyt, auch Festkörper-Elektrolyt genannt, ist ein Elektrolytmaterial, das bei Betrieb fest bleibt und Ionentransport ermöglicht, typischerweise Lithiumionen oder andere Ionen, zwischen den Elektroden einer Zelle. Im Gegensatz zu flüssigen oder gelartigen Elektrolyten bietet es kein flüchtiges Lösungsmittel und erhöht damit potenziell die Sicherheit und das Energiepotenzial von Batterien. Festkörperelektrolyte können aus keramischen, polymeren oder hybriden Materialien bestehen und sind Gegenstand intensiver Forschung im Bereich der Festkörperbatterien.

Zu den keramischen Festkörperelektrolyten zählen Oxide wie Li7La3Zr2O12 (LLZO) und verschiedene Perowskit-Typen sowie sulfide Festkörperelektrolyten wie Li10GeP2S12 (LGPS) und Li3PS4. Polymerbasierte Festkörperelektrolyte beruhen meist auf Polyethylenoxid (PEO) oder ähnlichen Polymeren, die mit Lithiumsalzen dotiert sind. Misch- oder Composite-Elektrolyte kombinieren keramische Partikel mit Polymermatrix, um Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und interfacialen Kontakt zu optimieren.

Wichtige Eigenschaften sind die ionische Leitfähigkeit bei Betriebstemperatur, die elektrochemische Spannungsstabilität gegenüber Elektroden, mechanische Festigkeit und chemische Stabilität gegen Feuchtigkeit oder Reaktionsprodukte. Festkörperelektrolyte versprechen ein breiteres Sicherheitsprofil, stärken den Dendritenschutz und ermöglichen kompakte Zellaufbauten, können jedoch durch interfaciale Widerstände und Verarbeitungshürden limitiert werden.

Herausforderungen umfassen geringe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur (insbesondere bei Polymervarianten), poröse oder grob kristalline Strukturen, Interfacialwiderstände gegenüber Anoden- und Kathodenschichten sowie Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit (insb. Sulfid-Typen). Die Herstellung großer, dünner Elektrolytenschichten mit gleichmäßiger Qualität bleibt technisch anspruchsvoll und kostenintensiv.

Anwendungen finden sich vor allem in Festkörperbatterien für Elektronik, tragbare Geräte und potenziell Elektrofahrzeuge. Aktuelle Forschungsrichtungen zielen darauf ab, höhere Leitfähigkeiten bei Zimmertemperatur, bessere Grenzflächenkontakte und skalierbare Fertigungsprozesse zu erreichen, um Festkörperelektrolyte wirtschaftlich nutzbar zu machen.