Neue Materialklasse mit hervorragender Ionenleitfähigkeit

Ein Forscherteam der Technischen Universität München (TUM) hat eine Materialklasse mit überdurchschnittlicher Leitfähigkeit entdeckt. Dies ist ein entscheidender Schritt in der Entwicklung leistungsfähiger Festkörperbatterien. Einen wesentlichen Beitrag zur Entdeckung leisteten Untersuchungen an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II).

Die Batterien der Zukunft müssen hohe Erwartungen erfüllen: Leichter und leistungsfähiger, langlebiger, sicherer und auch weniger fehleranfällig müssen sie sein.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt verfolgen diese Ziele mit Festkörpertechnologien: Festkörperbatterien enthalten keine Flüssigkeit, im Gegensatz zu herkömmlichen wiederaufladbaren Batterien, bei denen sich Lithium-Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten von der Anode zur Kathode und wieder zurück bewegen. Im Gegensatz dazu ist der Elektrolyt in Festkörperbatterien eine feste Substanz, die weder auslaufen noch brennen kann. Darüber hinaus hilft dieser Festelektrolyt, das Batteriegewicht zu reduzieren, was ihn theoretisch zu einer idealen Alternative macht.

„Doch die bisher verfügbaren Festkörperelektrolyte, meist oxidische Keramiken oder Verbindungen auf Schwefelbasis, haben in der Praxis die Erwartungen nicht ganz erfüllt“, sagt Prof. Thomas Fässler von der TUM-Professur für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien.

Gemeinsam mit seinem Team und in enger Zusammenarbeit mit der TUMint·Energy Research GmbH sucht er nach effizienteren Elektrolyten: „Das Problem ist, dass Lithium-Ionen nur langsam durch feste Materialien diffundieren. Unser Ziel war es, den Ionentransport besser zu verstehen und dann zu nutzen.“ Wissen zur Erhöhung der Leitfähigkeit.“

Ein leichtes Puder ist vielversprechend

Das Ergebnis ihrer Bemühungen ist ein kristallines Pulver, das Lithium-Ionen überdurchschnittlich leitet. Es enthält keinen Schwefel, sondern Phosphor, Aluminium und einen vergleichsweise hohen Anteil an Lithium. Labormessungen haben gezeigt, dass diese bisher übersehene Stoffklasse eine hohe Leitfähigkeit aufweist.

Innerhalb kürzester Zeit gelang es den Chemikern rund ein Dutzend neue, verwandte Verbindungen herzustellen, die beispielsweise Silizium oder Zinn statt Aluminium enthalten. Diese breite neue Materialbasis ermöglicht eine schnelle Optimierung der Materialeigenschaften.

Und warum sind diese Materialien so gute Ionenleiter? „Um diese Frage zu beantworten, müssen die Vorgänge im Inneren der Kristalle sichtbar gemacht werden“, erklärt Fässler. „Aber das geht mit normalen Laborgeräten nicht, weil die Lithiumatome sehr leicht sind. Daher lassen sie sich mit Röntgenstrahlung nicht genau lokalisieren.“

Mehr Details mit Neutronenstrahlen

Die Lösung: Neutronenstrahlen. „Die Neutronen, die wir aus dem Forschungsreaktor haben, ermöglichen es, auch die leichtesten Atome zu finden. Denn die Neutronen wechselwirken mit den Kernen der Atome und nicht mit der Atomhülle, wie es bei der Röntgenstrahlung der Fall ist.“ sagt Dr. Anatoliy Senyshyn, der das Pulverdiffraktometer am FRM II betreut, mit dem das neue Elektrolytmaterial analysiert wurde.

„Wir hatten in der Vergangenheit bereits verschiedene Mitglieder der neuen und vielfältigen Familie fester Lithium-Ionenleiter untersucht. Mit der Neutronenbeugung können wir visualisieren, wie die Ionen den freien Raum im Kristallgitter nutzen, um sich zu bewegen.“

In der neuen Substanzklasse sind diese Freiräume so angeordnet, dass sich die Ionen in alle Richtungen gleich gut bewegen können. Das liegt an der hohen Symmetrie der Kristalle und ist wahrscheinlich die Ursache für die superionische Lithiumleitfähigkeit, die das TUM-Team nun beobachten konnte.

Die synthetisierten Pulver seien damit vielversprechende Elektrolytkandidaten für künftige Festkörperbatterien, sagt Fässler. „Unsere Grundlagenforschung hat das Potenzial, die Entwicklung leistungsfähigerer Batterien zu beschleunigen.“

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien.