Am Paul Scherrer Institut PSI ist ein neues Herstellungsverfahren entwickelt worden, das die Stabilität und Lebensdauer von Festkörperbatterien deutlich verbessert. Der Ansatz richtet sich auf Lithium-Metall-Festkörperbatterien und zielt darauf ab, zentrale materialbedingte Probleme zu überwinden, die einer praktischen Nutzung bislang entgegenstanden.
Konkret verbindet das Verfahren eine milde Verdichtung des Festelektrolyten mit einer gezielten Stabilisierung der Grenzfläche zur Lithium-Anode. Dadurch lassen sich sowohl die Bildung von Lithiumdendriten als auch elektrochemische Instabilitäten wirksam reduzieren, welche die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Festkörperbatterien langfristig beeinträchtigen.
Ein neuer Herstellungsansatz für Elektrolyt und Grenzfläche
Im Zentrum der Arbeiten steht ein sulfidbasierter Festelektrolyt vom Argyrodit-Typ Li₆PS₅Cl, der aus Lithium, Phosphor und Schwefel besteht und eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit aufweist. Diese Eigenschaft ist entscheidend für einen schnellen Ionentransport und damit für leistungsfähige Festkörperbatterien. In der bisherigen Forschung scheiterte die praktische Umsetzung jedoch häufig daran, das Material ausreichend zu verdichten, sodass keine Hohlräume verbleiben, in die Lithiumdendriten eindringen können.
Frühere Verdichtungsstrategien setzten entweder auf sehr hohen Druck bei Raumtemperatur oder auf klassische Sinterverfahren bei Temperaturen von über 400 Grad Celsius. Beide Ansätze erwiesen sich als problematisch: Das Pressen bei Raumtemperatur führte zu porösen Mikrostrukturen und übermässigem Kornwachstum, während hohe Temperaturen das Risiko einer Zersetzung des Elektrolyten mit sich brachten. Um sowohl einen robusten Elektrolyten als auch eine stabile Grenzfläche zu erhalten, war daher ein neuer Fertigungsweg erforderlich.
Mildes Sintern als Schlüssel zur dichten Mikrostruktur
Das Team um Mario El Kazzi integrierte den Faktor Temperatur gezielt, jedoch deutlich schonender als in klassischen Verfahren. Der Argyrodit-Elektrolyt wurde unter moderatem Druck bei einer Temperatur von lediglich etwa 80 Grad Celsius gepresst. Diese Form des milden Sinterns ermöglichte es, die Partikel des Materials eng miteinander zu verbinden, ohne dessen chemische Stabilität zu beeinträchtigen.
Durch die Kombination aus moderater Wärme und Druck schlossen sich kleine Hohlräume, poröse Bereiche wurden kompakter und es entstand eine homogene, dichte Mikrostruktur. In dieser Form ist der Festelektrolyt nicht nur gut gegen das Eindringen von Lithiumdendriten geschützt, sondern zugleich optimal für einen schnellen Lithiumionentransport ausgelegt – eine zentrale Voraussetzung für leistungsfähige Festkörperbatterien.
Passivierung der Lithium-Anode für langfristige Stabilität
Allein durch die Verdichtung des Elektrolyten liess sich die langfristige Funktionsfähigkeit der Batterie jedoch nicht vollständig sicherstellen. Um auch bei hohen Stromdichten, wie sie beim schnellen Laden und Entladen auftreten, eine stabile Performance zu gewährleisten, ergänzten die Forschenden den Prozess um eine gezielte Grenzflächenmodifikation. Dazu wurde eine 65 Nanometer dünne Schicht aus Lithiumfluorid unter Vakuum verdampft und gleichmässig auf die Lithium-Metall-Anode aufgebracht.
Diese ultradünne Passivierungsschicht erfüllt zwei Funktionen: Sie verhindert die elektrochemische Zersetzung des Festelektrolyten beim Kontakt mit dem Lithium und unterdrückt die Bildung von inaktivem, sogenanntem „totem“ Lithium. Gleichzeitig wirkt sie als physikalische Barriere, die das Wachstum und Eindringen von Lithiumdendriten in den Festelektrolyten wirksam begrenzt und damit die Grenzflächenstabilität entscheidend verbessert.
Hohe Zyklusstabilität unter anspruchsvollen Bedingungen
In Laborversuchen mit Knopfzellen wurde die Leistungsfähigkeit der so hergestellten Festkörperbatterien unter anspruchsvollen Bedingungen getestet. Dabei zeigte sich eine aussergewöhnlich hohe Zyklusstabilität bei hoher Spannung. „Ihre Zyklusstabilität bei hoher Spannung war bemerkenswert“, sagt Jinsong Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie.
Nach 1500 Lade- und Entladezyklen verfügte die Zelle noch über rund 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. „Ein herausragendes Ergebnis. Diese Werte zählen zu den besten, die bisher gemeldet wurden.“ Zhang sieht daher gute Chancen, dass Festkörperbatterien herkömmliche Lithiumionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt künftig sowohl bei der Energiedichte als auch bei der Haltbarkeit übertreffen können.
Niedrige Prozesstemperaturen ebnen den Weg zur Serienfertigung
Mit der Kombination aus mildem Sintern des Festelektrolyten und einer ultradünnen Passivierungsschicht auf der Lithium-Anode zeigen die Forschenden erstmals, dass sich zwei der grössten Herausforderungen von Festkörperbatterien gleichzeitig adressieren lassen: die Dendritenbildung und die elektrochemische Instabilität an der Grenzfläche. Der Ansatz verbindet materialwissenschaftliche Wirksamkeit mit praktischer Umsetzbarkeit.
Zudem bringt das Verfahren ökologische und wirtschaftliche Vorteile mit sich, da die niedrigen Prozesstemperaturen Energie sparen und damit Kosten reduzieren. „Unser Ansatz ist eine praktische Lösung für die industrielle Herstellung von Festkörperbatterien auf Argyroditbasis“, so El Kazzi. „Noch ein paar zusätzliche Anpassungen – und wir könnten loslegen.“
Originalpublikation: Synergistic Effects of Solid Electrolyte Mild Sintering and Lithium Surface Passivation for Enhanced Lithium Metal Cycling in All-Solid-State Batteries. Jinsong Zhang, Robin Wullich, Thomas J. Schmidt, Mario El Kazzi. Advanced Science, 08.01.2026. DOI: 10.1002/advs.202521791