Forscher entwickeln Festelektrolyt mit Eigenschaften wie Flüssig-Elektrolyt

Ein internationales Forscherteam präsentiert einen neuen Festelektrolyten für Batterien. Er zeigt laut einer Mitteilung der am Projekt beteiligten TU Graz einen der schnellsten je gemessenen Lithium-Wanderungsprozesse in einem Lithium-Ionenleiter. Auch Toyota war an der Forschung beteiligt.

Gemeinsam mit der TU München und der belgischen Université Catholique de Louvain stellten Forschende der TU Graz nun im Fachjournal „Chem“ einen vielversprechenden kristallinen Ionenleiter mit „bemerkenswert hoher Lithium-Ionenmobilität“ vor. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Toyota Motor Europe erstellt.  Mit dem Material wollen die Forscher die Vorteile von Festkörper-Batterien (unter anderem höhere Energiedichte und mangels entflammbarer Komponenten eine höhere Sicherheit) mit den Eigenschaften von Flüssig-Elektrolyt-Batterien kombinieren.

Der neue Ionenleiter besteht aus Lithium-Titanthiophosphat, abgekürzt LTPS. Das Material zeichnet sich laut den Forschern durch seine ungewöhnliche Kristallstruktur aus. Das bewirke eine „geometrische Frustration“. Die Theorie der Forscher von der belgischen Universität: Da es im Gegensatz zu anderen Ionenleitern in dieser Kristallstruktur keine energetisch stark begünstigten „Verweilplätze“ für die Ionen gebe, seien diese mit ihrem aktuellen Platz „unzufrieden“. Diese Frustration führe laut den Berechnungen zu einer sehr hohen Lithium-Beweglichkeit.

„Die Lithium-Ionen suchen mehr oder weniger ‚verzweifelt‘ einen geeigneten Platz und bewegen sich dabei sehr rasch durch die kristallographische Struktur von LTPS“, sagt Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz und Leiter des ebendort angesiedelten Christian-Doppler-Labors für Lithium-Batterien. „Genau diese hohe Ionenbeweglichkeit wollen wir in Elektrolytkörpern für Feststoffbatterien haben.“

Die von den Belgiern errechnete Beweglichkeit konnte Wilkening mit seinen Mitarbeitern in Graz nun experimentell nachweisen. Dabei haben die Forscher festgestellt, dass die Prozesse auch bei extrem niedrigen Temperaturen noch aktiv sind – selbst bei 20 Kelvin, also 253 Grad Celcius unter Null, waren die Ionen noch mobil. „Es ist bemerkenswert, dass wir in LTPS aber sogar noch bei solch niedrigen Temperaturen Ionenmobilität feststellen“, sagt Wilkenung. „Das zeigt, wie stark der Bewegungsdrang der Ionen in LTPS ist.“ Die Betriebstemperatur einer Feststoffbatterie, beispielsweise im Elektroauto, wird selbstverständlich nie so niedrig sein.

Serienreif ist das Material aber noch nicht. Die belgische Université Catholique de Louvain hat die Entdeckung des LTPS zum Patent angemeldet.
tugraz.at