Dübendorf – Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben einen flexiblen, polymerbasierten Elektrolyten entwickelt, der Feststoffbatterien sicherer und langlebiger machen könnte. Das Material basiert auf einem Silikon-Polymer und bietet zugleich die Möglichkeit, die Batterieleistung zu steigern. Besonders interessant ist das Potenzial für medizinische Implantate wie Herzschrittmacher.
Problem herkömmlicher Feststoffbatterien
Feststoffbatterien gelten als sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten, da sie Brandrisiken reduzieren. Allerdings sind die Materialien bislang sehr starr. Bei Volumenänderungen der Elektroden – etwa durch Ausdehnung der Lithiummetall-Anode – können Risse entstehen oder Hohlräume, die Kurzschlüsse begünstigen. Auch die Bildung von Dendriten, also nadelartigen Lithiumablagerungen, kann die Lebensdauer der Batterien verkürzen.
Neue Lösung durch elastischen Elektrolyten
Das Empa-Team um Prof. Dr. Dorina Opris und Can Zimmerli vom Labor für Funktionale Polymere hat ein Polysiloxan-basiertes Polymer entwickelt, das sich dehnen lässt, ohne die Ionenleitfähigkeit zu verlieren. „Durch die Integration spezieller funktionaler Gruppen in das Silikon-Rückgrat wird das Material zu einem effizienten Ionenleiter“, erklärt Opris. Dies reduziert das Risiko von Dendritenbildung und kann die Lebensdauer von Batterien erhöhen. Gleichzeitig könnte die Energiedichte steigen, was für Elektrofahrzeuge und mobile Elektronik von Vorteil ist.
„Durch die Integration spezieller funktionaler Gruppen in das Silikon-Rückgrat wird das Material zu einem effizienten Ionenleiter“
Potenzial für Medizintechnik und Industrie
Der flexible Elektrolyt eignet sich für Batterien, die sich Bewegungen im Körper anpassen müssen, etwa Herzschrittmacher. „Stellen Sie sich ein Implantat vor, das sich mit dem Gewebe mitbewegt, statt starr zu sein“, so Zimmerli. Das Material kann auch als Bindemittel für Kathoden genutzt werden und lässt sich mit verschiedenen Aktivmaterialien kombinieren, was die Herstellung vereinfacht.
Die Produktion ist laut Empa skalierbar und kostengünstig, da der Elektrolyt zu dünnen Schichten von wenigen Mikrometern verarbeitet werden kann. Aktuell arbeiten die Forschenden daran, die Ionenleitfähigkeit weiter zu optimieren und suchen nach Industriepartnern zur Kommerzialisierung. Die Forschungsergebnisse wurden 2024 in der Fachzeitschrift ChemSusChem veröffentlicht.
Diese Entwicklung zeigt, dass Schweizer Materialforschung neue Ansätze für sichere und leistungsfähige Energiespeicher liefert. Experten sehen darin einen Schritt hin zu langlebigeren und weniger sicherheitsanfälligen Batterien, die sowohl für die Energiewende als auch für flexible medizinische Anwendungen relevant sein könnten.
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