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Feststoffelektrolyt für bessere Elektroautos

Wie frustrierte Ionen für glückliche Autofahrer sorgen könnten

| Autor/ Redakteur: Susanne Eigner* / Christian Lüttmann

Elektromobilität als Maßnahme gegen den Klimawandel – ein vielversprechender Ansatz, dem jedoch noch einige Hürden im Weg stehen. So wird noch immer an leistungsstärkeren Batterien für E-Autos geforscht, um den Fahrern die Abkehr vom Benziner schmackhaft zu machen. Ein internationales Team mit Beteiligung der TU Graz hat nun einen neuen Festelektrolyten präsentiert, der nicht nur mehr Speicherkapazität und Sicherheit bieten soll, sondern auch eine Ionenleitfähigkeit wie ein Flüssigelektrolyt aufweist.

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Eine neue Klasse von Festelektrolyten für die Feststoffbatterie von morgen: kristallin, aber in der Ionenbeweglichkeit ähnlich wie Flüssigelektrolyte.
Eine neue Klasse von Festelektrolyten für die Feststoffbatterie von morgen: kristallin, aber in der Ionenbeweglichkeit ähnlich wie Flüssigelektrolyte.
(Bild: Helmut Lunghammer, TU Graz)

Graz/Österreich, Ottignies-Louvain-la-Neuve/Belgien – Festkörperbatterien sind die zurzeit vielversprechendste Technologie, um der Elektromobilität zum Durchbruch zu verhelfen. Batterien mit festen Elektrolyten, in denen sich Lithium-Ionen zwischen den Elektroden bewegen, sind daher ein besonders beliebtes Thema in der Festkörperbatterieforschung. Denn solche Systeme bieten entscheidende Vorteile gegenüber aktuellen Lithium-Ionenbatterien mit flüssigen Elektrolyten: Sie haben eine höhere Energiedichte und sind aufgrund ihrer nicht entflammbaren Komponenten deutlich sicherer.

Was bislang jedoch fehlte, waren geeignete Materialien mit einer ähnlich hohen Ionenleitfähigkeit wie sie flüssige Elektrolyte besitzen. Gemeinsam mit Kollegen der TU München und der belgischen Université Catholique de Louvain stellten Forscher der TU Graz nun einen vielversprechenden kristallinen Ionenleiter mit hoher Lithium-Ionenmobilität vor.

Rastlose Ionen lassen fest wie flüssig wirken

Der neue Ionenleiter ist ein Lithium-Titanthiophosphat mit der Summenformel LiTi2(PS4)3, abgekürzt LTPS. LTPS zeigt eine ungewöhnliche Kristallstruktur, die sich durch so genannte „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“, weshalb man auch von frustrierten Ionen spricht. Berechnungen der Gruppe um Geoffroy Hautier von der belgischen Université catholique de Louvain zeigen, dass diese Frustration der Ionen zu einer sehr hohen Lithium-Beweglichkeit führt. Dadurch erzielt der Festelektrolyt Diffusionswerte, die eher einem Flüssigelektrolyt gleichen.

„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“, sagt Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz und Leiter des dort angesiedelten Christian-Doppler-Labors für Lithium-Batterien.

Ionen springen durch flache Energielandschaft

Wilkenings Team bestätigte dieses errechnete hohe Beweglichkeitsmaß der Ionen mit Kernresonanzmethoden nun experimentell. „Wir fanden deutliche Hinweise auf zwei Sprungprozesse, die die Ergebnisse der Rechnungen vollends unterstützen. In der Struktur von LTPS können die Lithium-Ionen auf ringförmigen Pfaden hin- und her-, sowie von einem Ring zum nächsten springen. Der letzte Schritt, der Inter-Ring-Prozess, ermöglicht den langreichweitigen Ionentransport“, erklärt der Forscher. Die gemessenen Diffusionskoeffizienten übertreffen den Forschern zufolge die aktuellen Spitzenkandidaten anderer Festkörperelektrolyte.

Selbst unter kryogenen Bedingungen nahe dem absoluten Nullpunkt konnten die Intra-Ring-Hüpfprozesse der Lithium-Ionen noch nicht vollständig ausgeschaltet werden. Die Lithium-Ionen sind auch bei 20 Kelvin (minus 253 °C) auf der Sensitivitätsskala der Kernresonanzspektroskopie noch mobil und suchen nach der passenden Potentialmulde in der sehr flachen Energielandschaft von LTPS. Ein derartiges Verhalten ist äußerst selten, wie Wilkening erläutert: „Sinkt die Temperatur, wird den Ionen die thermische Energie genommen und ihre Mobilität nimmt deutlich ab. Es ist bemerkenswert, dass wir in LTPS aber sogar noch bei solch niedrigen Temperaturen Ionenmobilität feststellen. Das zeigt, wie stark der Bewegungsdrang der Ionen in LTPS ist.“ Die kryogenen Temperaturen, bei denen die Wissenschaftler die Ionenbeweglichkeit untersucht haben, sind natürlich nur ein akademisch interessanter Extremfall. In der Praxis wird die Betriebstemperatur einer Feststoffbatterie, beispielsweise im Elektrofahrzeug, nie so niedrig sein.

Ein Schritt zu besseren Batterien

LTPS ist mit diesem 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. Damit können sie deutlich höhere Leistung erzielen als Feststoffelektrolyten mit weniger beweglichen Ionen. Die Entdeckung und experimentelle Untersuchung von LTPS ist nun der Startpunkt für die Suche nach weiteren Verbindungen, in denen ein ähnlicher Leitungsmechanismus vorherrscht. In Zukunft könnten die Forschungsergebnisse aus Graz Fahrer von Elektroautos erfreuen, wenn daraus leistungsstärkere Batterien entwickelt werden.

Originalpublikation: Di Stefan et al.: Superionic diffusion through frustrated energy landscape, Chem (2019); DOI: 10.1016/j.chempr.2019.07.001

* S. Eigner: TU Graz, 8010 Graz/Österreich

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