Bild des Monats: Vielversprechende Feststoffelektrolyte für leistungsstarke Akkus Laserstrahlen für keramische Feststoffbatterien

Um den steigenden Bedarf an Batteriezellen für die Elektromobilität und für Elektronikgeräte, wie Smartphones und Tablets, zu sichern, müssen Batterien und ihre Produktionstechniken stetig weiterentwickelt werden. Das Bild des Monats zeigt in einer Momentaufnahme den Funkenflug während des Lasersinterns eines keramischen Feststoffelektrolytens – ein neuartiges Konzept für ein neues Material, um Lithium-Ionen-Batterien deutlich leistungsfähiger und sicherer zu machen.

Funkenflug beim Lasersintern von keramischen Feststoffelektrolyten. Bildnachweis: Houssin Wehbe/Institut für Füge- und Schweißtechnik/TU Braunschweig

Für die zukünftige Batteriegeneration sind Verbesserungen hinsichtlich Kapazität, Energiedichte und Sicherheit im Vergleich zu den konventionellen Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Flüssigelektrolyten wichtig. Ein vielversprechendes Zellkonzept ist die Feststoffbatterie, bei der der entflammbare Flüssigelektrolyt und der Separator durch einen ionenleitenden keramischen Festkörper ersetzt werden.

Laserstrahlung zur Versinterung

Um die losen Partikel zu verdichten, muss dieser keramische Feststoffelektrolyt im Brennofen einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dieses Verfahren ist seit Jahrtausenden bekannt und wurde schon für die älteste bekannte Keramikfigur, der Venus von Dolní Věstonice, vor über 25.000 Jahren angewendet. Bislang ist die Etablierung eines wettbewerbsfähigen Massenproduktes jedoch bezweifelt worden, da die Versinterung der keramischen Batteriekomponente im Brennofen prozess- und materialbedingte Nachteile mit sich bringt.

Die neuartige Idee, die ein Gelingen der keramischen Feststoffbatterien ermöglichen soll, ist der Einsatz von Laserstrahlung zur Versinterung. Dieser Prozess profitiert von der kontaktlosen, formflexiblen und schnellen Bearbeitung. Bisher liegen jedoch nur unzureichende Kenntnisse zu den Wechselwirkungsmechanismen zwischen dem Festelektrolyten und der Laserstrahlung vor. Die Aufnahme zeigt die Funken, die durch den hohen Energieeintrag des Laserstrahls entstehen, der für einen kurzen Augenblick auf die vorverdichteten Feststoffelektrolyten wirkt.

Mikrostruktur der Keramik im unbearbeiteten Zustand (links) und nach der Laserbearbeitung (rechts) aufgenommen im Rasterelektronenmikroskop. Größere Partikel reduzieren den Widerstand und ermöglichen die Ionenwanderung. Bildnachweis: Institut für Füge- und Schweißtechnik/TU Braunschweig

Ziel des Projekts am Institut für Füge- und Schweißtechnik ist, das grundlegende Verständnis zu erweitern und langfristig einen sicheren Prozess zu entwickeln. Die erste erfolgreiche Versinterung ist bereits geglückt, die anhand der Mikrostruktur, die ein Partikelwachstum zeigt, zu sehen ist. Um den Einsatz in der Batterie zu verifizieren, führt das Institut noch weitere Untersuchungen durch.