Neutronen machen Ionen-Wanderung sichtbar

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Feststoffbatterie: Neue Materialklasse mit hervorragender Ionenleitfähigkeit

Die Erwartungen an die Batterien der Zukunft sind hoch: Sie sollen nicht nur leichter und leistungsfähiger, sondern auch längerlebig, sicherer und weniger störanfällig werden. Einem Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) ist mit der Entdeckung einer überdurchschnittlich leitfähigen Materialklasse ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung von leistungsfähigen Feststoff-Batterien gelungen. Untersuchungen an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) haben zu der am 14.02.2023 publizierten Entdeckung entscheidend beigetragen.

Lithium-Ionen-Akkus – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen diese Ziele mit Hilfe der Feststoff-Technologie zu erreichen: Anders als bei traditionellen Akkus, in denen die Lithium-Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten von der Anode zur Kathode und wieder zurückwandern, enthalten Feststoff-Akkus keine Flüssigkeit. Der Elektrolyt besteht aus einer festen Substanz. Diese kann weder auslaufen noch brennen. Außerdem kann man mit ihrer Hilfe das Gewicht von Akkus verringern. Theoretisch eine ideale Alternative.

„Tatsächlich können die bisher verfügbaren Feststoff-Elektrolyte – bei den meisten handelt es sich um oxidische Keramiken oder Verbindungen auf Schwefelbasis – die Erwartungen noch nicht ganz erfüllen“, erklärt Prof. Thomas Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TUM. Zusammen mit seinem Team und in enger Kooperation mit der TUMint·Energy Research GmbH sucht er nach leistungsfähigeren Elektrolyten: „Das Problem ist, dass Lithium-Ionen nur langsam durch feste Materialien diffundieren. Unser Ziel war es, den Ionentransport besser zu verstehen und dann dieses Wissen zu nutzen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.“

Ein leichtes Pulver als Hoffnungsträger

Das Ergebnis ist ein kristallines Pulver, das Lithium-Ionen überdurchschnittlich gut leitet. Es enthält keinen Schwefel, dafür Phosphor, Aluminium und einen vergleichsweise hohen Anteil an Lithium. Labormessungen haben gezeigt, dass diese bisher nicht beachtete Substanzklasse eine hohe Leitfähigkeit hat. Innerhalb kurzer Zeit gelang es den Chemiker:innen ein rundes Dutzend neuer, verwandter Verbindungen herzustellen, die beispielsweise Silicium oder Zinn statt Aluminium enthalten. Diese breite stoffliche Basis erlaubt eine schnelle Optimierung der Eigenschaften.

Doch warum leiten diese Materialien die Ionen besonders gut? „Um diese Frage beantworten zu können, muss man die Prozesse sichtbar machen, die im Inneren der Kristalle ablaufen“, betont Fässler. „Mit normaler Labor-Ausrüstung ist das jedoch nicht zu schaffen, weil die Lithium-Atome sehr leicht sind. Man kann sie daher mit Röntgenstrahlung nicht exakt lokalisieren.“

Mit Neutronenstrahlen ins Detail

Die Lösung: Neutronenstrahlen. „Mit den Neutronen, die wir aus dem Forschungsreaktor bekommen, lassen sich selbst leichteste Atome aufspüren. Das liegt daran, dass die Neutronen mit den Kernen der Atome interagieren und nicht, wie Röntgenstrahlen, mit der Hülle“, erläutert Dr. Anatoliy Senyshyn, der am FRM II das Pulver-Diffraktometer betreut, mit dem das neue Elektrolyt-Material analysiert wurde: „Wir haben in der Vergangenheit bereits verschiedene Vertreter aus der jungen, aber reichen Familie der festen Lithium-Ionenleiter untersucht. Mit Hilfe der Neutronenbeugung können wir sichtbar machen, wie die Ionen für ihre Wanderung Freiräume im Kristallgitter nutzen.“ Diese Freiräume sind in der neuen Substanzklasse so angeordnet, dass die Ionen in allen Richtungen gleich gut beweglich sind. Das hängt mit der hohen Symmetrie der Kristalle zusammen und ist wahrscheinlich die Ursache der „superionischen Lithium-Leitfähigkeit“, die das TUM-Team jetzt beobachtet hat.

Die synthetisierten Pulver sind damit aussichtsreiche Elektrolyt-Kandidaten für künftige Festkörper-Akkus, resümiert Fässler: „Unsere Grundlagenforschung hat das Potenzial, die Entwicklung von leistungsfähigeren Batterien zu beschleunigen.“

  • Die Forschung entstand in enger Kooperation mit der TUMint·Energy Research GmbH, die – unterstützt durch die Automobilindustrie – intensiv an der Erforschung und Entwicklung von Festkörper-Batteriezellen arbeitet. Ein weiterer Kooperationspartner war die Universität Augsburg.
  • Gefördert wurde das Projekt “Industriealisierbarkeit von Festkörperelektrolytzellen” durch das Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

->Quellen: