Neues Material für Feststoffbatterien stellt Rekord in Sachen Leitfähigkeit auf

Lithium-Ionen-Akkus sind weiterhin der dominierende Energiespeicher in der Elektronik. Allerdings sieht es so aus, als würde das nicht so bleiben. Weltweit arbeiten Forschungsteams an alternativen Batterie-Formen, die eine höhere Energiedichte haben, nicht so feuergefährlich sind und auch eine längere Lebensdauer haben. Eine solche Alternative könnten Feststoffbatterien sein. Ein Team der Technischen Universität München hat eine neue Lithiumverbindung entdeckt, die diese Feststoffbatterien leistungsfähiger und schneller machen können. Grund ist die Leitfähigkeit des Materials. Diese liegt etwa 30 Prozent über der aller bisher bekannten Verbindungen, weshalb die neue Verbindung hervorragend als Feststoff-Elektrolyt und Elektrodenzusatz für Feststoffbatterien geeignet ist.

Feststoffbatterien: Die Akkus der Zukunft

Der verwendete Elektrolyt ist ein wesentlicher Faktor, wenn es darum geht, wie leistungsfähig eine Feststoffbatterie ist. „Als Kernkomponente der Festkörperbatterie müssen Festkörper-Elektrolyte eine hohe Ionen-Leitfähigkeit, eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe elektrochemische Stabilität aufweisen. Dies erlaubt einen schnellen Ionentransport zwischen Anode und Kathode, verleiht dem Akku aber auch hohe Spannungsdichte und hohe Ladekapazitäten“, erklärt das Team rund um Jingwen Jiang von der Technischen Universität München.

Bisher zeigten Lithium-Schwefel-Verbindungen das höchste Potential für die Verwendung als Feststoffelektrolyt. Diese Verbindungen werden durch mehrere weitere Elemente ergänzt, etwa Phosphor, Chrom oder Sauerstoff. Allerdings wird weiterhin nach besseren Elektrolyten gesucht. Weiterer Optimierungsbedarf besteht bei den Kathoden, die Ionen und Elektronen leiten können müssen.

Jiang und seine Kolleg:innen haben nun potentiell ein Material gefunden, das sich sowohl sehr gut als Feststoffelektrolyt als auch für Kathoden eignet. Dabei handelt es sich um einen neuartigen Lithiumionen-Leiter, der aus kristallinem Lithiumantimonid besteht, das mit geringen Mengen des Übergangsmetalls Scandium zugesetzt wurden. Dies ermöglicht eine erhebliche Modifizierung der elektronischen Struktur des Materials.

Neuartige Verbindung stellt Weltrekord auf

Bei näheren Analysen des Materials fanden die Forscher:innen heraus, dass im Kristallgitter der neuen Lithiumverbindung jeweils drei Lithiumatome duch ein Scandiumatom ersetzt werden. Dieser Austausch resultiert in größeren Leerstellen, die mehr Platz für die Passage von Lithiumionen schaffen. In Labortests erreichte das Material dadurch eine Ionen-Leitfähigkeit, die bei einer relativ niedrigen Aktivierungsenergie die Leitfähigkeit anderer Materialien um 30 Prozent übertraf. Die Verbindung stellte in Sachen Leitfähigkeit im Vergleich zu anderen festen Lithiumionen-Leitern einen neuen Weltrekord auf.

„Unser Ergebnis stellt derzeit einen wesentlichen Fortschritt in der Grundlagenforschung für Festkörperbatterien dar. Mit dem Einbau von kleinen Mengen Scandium sind wir auf ein neues Prinzip gestoßen, das sich als richtungsweisend für andere Elementkombinationen erweisen könnte“, erläutert Seniorautor Thomas Fässler von der TU München. Das Material kann außerdem mit bereits etablierten chemischen Verfahren hergestellt werden.

Neuer Elektrolyt für Feststoffbatterien

Das Team geht davon aus, dass die Entdeckung der neuen Lithiumverbindung den Grundstein für eine ganz neue Klasse von Ionenleitern legen könnte. „ Wir gehen davon aus, dass unsere Entdeckung über dieses Beispiel hinaus Bedeutung für die Erhöhung der Leitfähigkeit bei anderen Substanzen haben kann. Unsere Kombination kann beispielsweise einfach auch auf Lithium-Phosphor übertragen werden“, so Jiang.

Der neuartige Lithiumionen-Leiter könnte in künftigen Feststoffbatterien sowohl als Elektrolyt als auch als Zusatz für die Kathoden dienen, da er auch Elektronen leitet — wenngleich auch schlechter als Ionen. Allerdings wird es noch etwas dauern, bis das neue Material in Feststoffbatterien genutzt werden kann, da noch weitere Tests nötig sind. Die Forscher:innen haben es jedoch bereits zum Patent angemeldet.

via Technische Universität München