Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit von Festelektrolyten und potenzielle Herausforderungen für das Wärmemanagement von Batteriesystemen

Langsamer Wärmetransport in Na₃PS₄ beruht auf dem lokalen Austausch von Wärme zwischen atomaren Schwingungszuständen und stellt besondere Anforderungen an das Wärmemanagement von Feststoffbatteriesystemen.

23. Januar 2023 – Forscher:innen des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und des Instituts für Anorganische und Analytische Chemie der WWU Münster zeigen in ihrer neuen Studie wie Wärme in festen Ionenleitern, die für ihre mögliche Anwendung in Festkörperbatterien untersucht werden, transportiert wird. Die Fähigkeit des Elektrolytmaterials, Wärme abzuleiten ist entscheidend für das Wärmemanagement einer Feststoffbatterie.

Leifähigkeit und Temperaturabhängigkeit von Na3PS4

Vorangehende Studien von Cheng und Bernges deuten darauf hin, dass die Wärmeleitfähigkeit von Ionenleitern erstaunlich niedrig ist ­– unabhängig davon, ob Silber-, Kupfer-, Natrium- oder Lithiumionen transportiert werden. Sie ist vergleichbar mit Gläsern und organischen Flüssigelektrolyten, die in herkömmlichen Batteriesystem verwendet werden.

Anknüpfend an diese Ergebnisse untersuchte nun das Team rund um Prof. Dr. Wolfgang Zeier vom Helmholtz Institut Münster und dem Institut für Anorganische und Analytische Chemie der WWU Münster in einer Fallstudie das ionenleitende Material Na₃PS₄. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Na₃PS₄ sowohl glasähnlich ist als auch auf einem grundlegend anderen Mechanismus des Wärmetransports durch atomare Schwingungen beruht. Der Mechanismus führt zu einem langsamen Wärmetransport und könnte auch in anderen Ionenleitern eine Rolle spielen,“ erklärt Tim Bernges vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie.

Darüber hinaus zeigen die Forschenden, dass sich die thermische und die ionische Leitfähigkeit in ihren Skalierungsbeziehungen auf die relative Probendichte stark unterscheiden. „Dies sollte bei der Optimierung des Transports in Feststoffbatteriesystemen berücksichtigt werden“, so Bernges.

Anforderungen an das Wärmemanagement von Feststoffbatteriesystemen

Insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit von Na₃PS₄ stellt das Wärmemanagement von Festkörperbatterien vor Herausforderungen. Obwohl Festelektrolyte im Vergleich zu herkömmlichen Lithiumionenbatterien mit entflammbarem Flüssigelektrolyt oft als besonders sicher gelten, zieht die geringe Wärmeleitfähigkeit eine langsame Wärmeableitung nach sich. Das kann zu einem Anstieg der Gerätetemperatur führen – sowohl auf globaler als auch auf lokaler Ebene. Im Kathodenverbund beispielsweise kann dies zum Versagen des Systems führen.

Dieser Befund macht die Charakterisierung der thermischen Eigenschaften aller Materialkomponenten für Festkörperbatterien erforderlich. Sie ermöglicht Vorhersagen über den Wärmefluss im System sowie die Notwendigkeit aktiver und passiver Kühllösungen. Darüber hinaus müssen bei den Vorhersagen und der anschließenden Optimierung des Wärmetransports die Auswirkungen der relativen Dichte berücksichtigt werden, da sich, wie die Studie zeigt, ionischer und thermischer Transport erheblich unterscheiden können.

Studie in ACS Materials Letters verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher Tim Bernges, Thorben Böger, Oliver Maus, Paul S. Till und Dr. Matthias T. Agne, Institut für Anorganische und Analytische Chemie der WWU Münster, und Prof. Dr. Wolfgang Zeier, Helmholtz-Instituts Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und des Instituts für Anorganische und Analytische Chemie der WWU, als Open-Access-Artikel im Fachmagazin ACS Materials Letters veröffentlicht.