Fraunhofer IWM forscht an Feststoff-Elektrolyt aus Keramik

Der Wissenschaftler Daniel Mutter vom Fraunhofer IWM hat untersucht, wie Feststoff-Elektrolyte aus Keramik chemisch zusammengesetzt sein müssen, um eine gute Leistung in Lithium-Ionen Batterien zu erbringen. Die Hoffnung: höhere Leistungs- und Energiedichten in Batterien.

Eine hohe ionische Leitfähigkeit verspreche die Klasse der sogenannten NZP-Keramiken, erklärt das Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in einer Mitteilung. Die Bezeichnung geht auf die chemischen Elemente Natrium, Zirkonium und Phosphor zurück, die in diesen Keramiken in variablen Anteilen enthalten sind.

Die Herausforderung: Im Allgemeinen fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Der spezielle strukturelle Aufbau der NZP-Keramiken ermögliche laut dem IWM die Existenz von. „Wanderpfaden“, auf denen sich Lithium-Ionen leicht fortbewegen können. Mutter habe mithilfe atomistischer Simulationen mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken identifiziert, die besonders vielversprechend sind.

„Mit dieser computerbasierten Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener chemischer Elementverbindungen machen, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen“, erklärt der Forscher. Die tatsächliche Synthese sei teuer und benötige Ressourcen.

Die Simulationen wurden am Großrechner des Steinbuch-Supercomputer-Centers am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt. Dabei wurden nicht nur die Potenziale der einzelnen Material-Kombinationen berücksichtigt, sondern ob die verwendeten chemischen Elemente sowohl ungiftig als auch reichhaltig in der Erdkruste vorhanden sind.

Die nun aus „verhältnismäßig leicht abbaubaren“ Materialien zusammengesetzten Keramik-Elektrolyte könnten nun laut Mutter in einem nächsten Schritt praktisch getestet werden, „ob unsere vorhergesagten Elektrolytmaterialien die Ionenleitfähigkeit wie erwartet deutlich steigern und daraus bestehende Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungsdichte erreichen“, so der Physiker.

Neben den Vorhersagen rund um die potenziellen Elektrolyt-Verbindungen hat Mutter im Rahmen der Forschungen „zum besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken“ beigetragen, wie das IWM schreibt. Dabei geht es unter anderem um die Vorgänge, die in bestimmten Materialkombinationen die Lithium-Ionen-Wanderung fördern oder nicht. Das soll fundiertere Aussagen über die Ionenleitfähigkeit der NZP-Keramiken ermöglichen.
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