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Feststoffbatterien: Schnellster je gemessener Lithium-Wanderungsprozess

Bei der Suche nach der »nächsten« Batterietechnologie mit verbesserter Performance und erhöhter Sicherheit stehen Festkörperbatterien mit einem festen Elektrolyten im Fokus. Ein internationales Team unter Beteiligung der TU Graz meldet hier einen Erfolg.

LTPS (Lithium-Titanthiophosphat) Batterien Bildquelle: © Lunghammer - TU Graz

Eine neue Klasse von Festelektrolyten für die Feststoffbatterie von morgen: kristallin, aber in der Ionenbeweglichkeit ähnlich wie Flüssigelektrolyte.

Eine gegenüber Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten höhere Energiedichte und eine höhere Sicherheit aufgrund ihrer nicht entflammbaren Komponenten: Das sind die Vorteile der Festkörperbatterien, die sich allerdings noch im Forschungsstadium befinden.

Bislang mangelte es an Materialien mit einer ähnlich hohen Ionenleitfähigkeit wie sie flüssige Elektrolyte besitzen. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der TU München und der belgischen Université Catholique de Louvain stellten Forschende der TU Graz nun einen kristallinen Ionenleiter vor, dessen gemessene Diffusionskoeffizienten die aktuellen Spitzenkandidaten übertreffen, d.h. die Ionen-Mobilität ist erheblich gesteigert.

LTPS (Lithium-Titanthiophosphat) ist mit seinem superschnellen Diffusionsprozess, dessen Ursache »energetische Frustration« ist, ein Vertreter einer neuen Klasse von Festelektrolyten. Diese sind zwar kristallin, besitzen aber Bewegungseigenschaften, die eher jenen von Flüssigelektrolyten ähneln. Die Entdeckung und experimentelle Untersuchung von LTPS ist nun der Startpunkt für die Suche nach weiteren Verbindungen, in denen ein ähnlicher Leitungsmechanismus vorherrscht.

Der neue Ionenleiter mit der Summenformel LiTi2(PS4)3 ist ein Lithium-Titanthiophosphat (LTPS). LTPS zeigt eine ungewöhnliche Kristallstruktur, die sich durch sogenannte „geometrische Frustration“ auszeichnet. Im Gegensatz zu anderen Ionenleitern bietet die Kristallstruktur von LTPS keine energetisch stark begünstigten Verweilplätze für die Ionen. Sie sind daher nie mit ihrem aktuellen Platz zufrieden und unterliegen somit einer Frustration. Berechnungen der Gruppe um Geoffrey Hautier von der belgischen Université catholique de Louvain zeigen, dass diese Frustration der Ionen zu einer sehr hohen Lithium-Beweglichkeit führt.

„Die Lithium-Ionen suchen mehr oder weniger »verzweifelt« einen geeigneten Platz und bewegen sich dabei sehr rasch durch die kristallographische Struktur von LTPS. Genau diese hohe Ionenbeweglichkeit wollen wir in Elektrolytkörpern für Feststoffbatterien haben“, erklärt Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz und Leiter des ebendort angesiedelten Christian Doppler Labors für Lithium-Batterien. Auch bei Tiefsttemperaturen konnte dieses hohe Beweglichkeitsmaß experimentell bestätigt werden, sodass ein Betrieb LTPS-basierter Batterien bei tiefen Temperaturen künftig kein Problem mehr darstellen sollte.

Die Lithium-Ionen sind auch bei 20 Kelvin (minus 253 Grad Celsius) auf der Sensitivitätsskala der Kernresonanzspektroskopie noch mobil und suchen nach der passenden Potentialmulde von LTPS.