Durchbruch bei Festkörper-Batterie: Forscher der Tsinghua-Universität lösen Schlüsselproblem und erzielen Energiedichte-Sprung

Einem Team um Professor Zhang Qiang von der Fakultät für Chemieingenieurwesen der Tsinghua-Universität, eine der renommiertesten Hochschulen Chinas mit Sitz in Peking, ist es laut Nature gelungen, ein zentrales Hindernis für leistungsfähige Festkörperbatterien zu überwinden: die Instabilität an der Grenzfläche zu hochkapazitiven Kathoden. Entwickelt wurde ein fluorierter Polyether-Polymerelektrolyt (FPE-SPE), der durch eine gezielte Gestaltung einer anionenreichen Solvationsstruktur die Zersetzung von Gitter-Sauerstoff in lithiumreichen Manganoxid-Kathoden verhindert.

Technische Umsetzung und Rekordwerte

Die Forscher nutzten laut Nature eine in-situ-Polymerisationstechnik, bei der ein Monomer direkt in die Batterie injiziert und anschließend durch Erhitzen polymerisiert wird. Dadurch bildet sich ein dichter Festkörperelektrolyt ohne Porosität und mit stabiler Grenzfläche. In Kombination mit einer hochbeladenen LRMO-Kathode (über 8 mAh/cm²), einem „lean electrolyte“-Ansatz und einer anodlosen Struktur (Kupferfolie als Kollektor) erreichte die Pouchzelle eine gravimetrische Energiedichte von 604 Wh/kg sowie eine volumetrische Energiedichte von 1.027 Wh/L.

Stabilität und Sicherheit im Test

Die neue Zelle zeigte eine Kapazitätserhaltung von 72,1 Prozent nach 500 Ladezyklen bei 0,5 C. Im Vergleich dazu fiel eine Batterie mit konventionellem Polymer-Elektrolyten bereits nach 50 Zyklen deutlich ab. Zudem bestand die FPE-SPE-Zelle einen Nadelstichtest im vollgeladenen Zustand, ohne Feuer zu fangen oder zu explodieren. Der nicht brennbare Charakter des Elektrolyten trägt zusätzlich zur Sicherheit bei.

Werte deutlich über den besten Lithium-Ionen-Batterien

Die erreichten Werte liegen deutlich über den besten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien, die bei etwa 250–300 Wh/kg liegen. Auch im Vergleich zu Zielen von Industrieakteuren wie QuantumScape ist die vorgestellte Lösung konkurrenzfähig. Noch offen bleibt, ob sich das Verfahren industriell skalieren lässt und wie sich die Zellen unter realen Betriebsbedingungen über längere Zeiträume verhalten. Dennoch bietet die Studie einen klaren technologischen Weg, um die Massenproduktion von Festkörperbatterien näher zu rücken.