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Polymerwerkstoffe für Batterietechnologien

Kunststoffe für Batterietechnologien von morgen

 

Die mobile Elektrifizierung unserer Lebens- und Arbeitswelten spiegelt sich heute beispielsweise in Smartphones, Akkuschraubern, Mährobotern und Elektroautos wider. Und mit einer weiteren Zunahme mobiler elektrischer Lösungen ist zu rechnen. Eine solch weite Verbreitung z. B. von moderner Unterhaltungselektronik ist jedoch ohne fortschrittliche Energiespeichertechnologien, wie die der wiederaufladbaren Batterien, undenkbar. Aber auch für das Speichern von elektrischer Energie aus  alternativen Energiequellen wie der Photovoltaik und der Windkraft sind sie unverzichtbar, um eine gleichmäßige Stromversorgung auch unter ungünstigen Witterungsbedingungen zu gewährleisten. Kunststoffe spielen in solchen Batterien als Elektrolyte, Elektrodenbestandteile, Separatoren oder Beschichtungen schon seit langem eine wichtige Rolle. Entsprechende Polymermaterialien, auch mit neuen Funktionalitäten, können in bestehenden Batteriesystemen einerseits zur Optimierung der Batteriekennwerte genutzt werden, andererseits könnten sie aber auch neue effektive chemische Zusammensetzungen und damit neue Batterietypen ermöglichen. Auf diese Weise könnten sie auch wichtige Wegbereiter für sehr hohe Energiedichten darstellen. Besonders Interessant sind derzeit Lithium-Ionen- sowie Lithium-Schwefel-Batterien, in denen Polymerwerkstoffe entscheidend zur weiteren Entwicklung beitragen können.

Elastische und selbstheilende Polymere können beispielsweise zur Stabilisierung und zum Schutz von Silizium-Anoden beitragen, die theoretisch eine zehnfache Verbesserung der Batterieleistung gegenüber Graphit-Anoden in Lithium-Ionen-Batterien erreichen können. Denn die in solchen Anoden auftretenden großen Volumenänderungen können während der Auflade- und Entladeprozesse bei Silizium-Anoden zu Rissbildungen und somit der Zerstörung der Anode führen. Auch Schwefel-Kathoden in Lithium-Schwefel-Batterien weisen große Volumenänderungen auf. Hier können insbesondere elektrisch leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polypyrrol oder Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) als Matrixmaterial dienen. Des Weiteren können polymere Feststoffelektrolyte oder spezielle Polymerbeschichtungen zur Kontrolle der Dendritenbildung bei Lithium-Anoden eingesetzt werden, sodass während des Ladevorgangs die Bildung von baum- oder strauchartigen Auswüchsen aus der Anode in den Elektrolyten verhindert wird. Da die Ionenleitfähigkeit solcher polymerer Feststoffelektrolyte derzeit jedoch immer noch unzureichend ist, besteht weiterhin ein hoher Forschungsbedarf. Auch dünne Polymerbeschichtungen von Lithium-Anoden stellen eine Lösung dar, um die Bildung von Lithium-Dendriten zu verhindern. Allerdings fehlt bisher noch ein grundlegendes Verständnis dafür, wie möglichst effektive Beschichtungen entworfen oder modifiziert werden können.

Polymerelektrolyte werden jedoch auch für andere Batterien weiter entwickelt. Sie können in feste Elektrolyte und Gel-Elektrolyte unterteilt werden. Beide Arten von Polymerelektrolyten können vergleichsweise günstig und einfach hergestellt, sowie an bereits bestehende Batteriesysteme angepasst werden. Um Polymerelektrolyte für einen effektiven Lithium-Ionen-Transport weiter zu optimieren, wird beispielsweise die Verringerung der sogenannten Glasübergangstemperatur verschiedener Polymersysteme angestrebt aber auch organische Lithium-Salze (weiter)entwickelt, die sich als Elektrolyt eignen. Der Transport von Lithium-Ionen in solchen Elektrolyten kann einerseits durch die festen Polymerketten und in Gel-Elektrolyten auch über die flüssigen oder gelierten Bereiche erfolgen.

Polymere Werkstoffe für Batterien werden auch weiterhin eine große Rolle spielen, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften zur Verbesserung der Sicherheit von Batterien beitragen können. Ihre flammhemmenden und thermoresponsiven Eigenschaften können beispielsweise ein unkontrollierbares thermisches Durchgehen verhindern. Feste Polymerelektrolyte mit guten mechanischen Eigenschaften werden zudem als Voraussetzung zur Integration von Energiespeicherfunktionen in strukturelle Bauteile angesehen. Auch die Herstellungskosten von Batterien können mit Hilfe von Polymeren unter Umständen verringert werden, wobei insbesondere die Verarbeitbarkeit der eingesetzten Materialien von Bedeutung ist. Die weitere Entwicklung der Lithium-Ionen- sowie Lithium-Schwefel-Batterien wird zudem auch von der zukünftigen Entwicklung geeigneter Polymerwerkstoffe für Elektroden und Elektrolyte abhängen.

 

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