Forschung an neuen Elektrolyt-Materialien für Feststoffakkus

Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) gibt an, eine überdurchschnittlich leitfähige Elektrolyt-Materialklasse gefunden zu haben. Damit soll die Entwicklung von leistungsfähigeren Feststoff-Batterien möglich werden.

Es handelt sich laut einer Mitteilung der TUM um ein kristallines Pulver, das Lithium-Ionen überdurchschnittlich gut leitet. Es enthält keinen Schwefel, dafür Phosphor, Aluminium und einen vergleichsweise hohen Anteil an Lithium. Präziser werden die Wissenschaftler an dieser Stelle nicht. Labormessungen hätten gezeigt, dass diese bisher nicht beachtete Substanzklasse eine hohe Leitfähigkeit hat, so das Forscherteam.

Den Chemikern der TU München soll es zudem innerhalb kurzer Zeit gelungen sein, rund ein Dutzend neuer, verwandter Verbindungen herzustellen, die beispielsweise Silizium oder Zinn statt Aluminium enthalten. Diese breite stoffliche Basis erlaube eine schnelle Optimierung der Eigenschaften. Die synthetisierten Pulver seien damit aussichtsreiche Elektrolyt-Kandidaten für künftige Festkörper-Akkus, folgern die Münchner.

Entscheidend zu der Entdeckung der vielversprechenden Elektrolyt-Materialklasse beigetragen haben Untersuchungen an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz. „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 Forschungsreaktor München II das sogenannte Pulver-Diffraktometer betreut.

Aber der Reihe nach. Zur Einordnung: Während in herkömmlichen Akkus mit einem flüssigen Elektroyten gearbeitet wird, durch den die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und wieder zurückwandern, enthalten Feststoff-Akkus keine Flüssigkeit. Der Elektrolyt besteht aus einer festen Substanz. Das Problem: Lithium-Ionen können bis dato nur langsam durch feste Materialien diffundieren.

„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“, äußert 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 sowie der Uni Augsburg sucht er nach leistungsfähigeren Elektrolyten: „Unser Ziel war es, den Ionentransport besser zu verstehen und dann dieses Wissen zu nutzen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.“

Mithilfe der Neutronenbeugung konnten die Forscher nun sichtbar machen, wie die Ionen für ihre Wanderung Freiräume im Kristallgitter nutzen. Diese Freiräume seien in der neuen Substanzklasse so angeordnet, dass die Ionen in allen Richtungen gleich gut beweglich sind. Das hänge mit der hohen Symmetrie der Kristalle zusammen und ist wahrscheinlich die Ursache der „superionischen Lithium-Leitfähigkeit“, wie es das TUM-Team ausdrückt. Laut Prof. Fässler hat diese Grundlagenforschung das Potenzial, „die Entwicklung von leistungsfähigeren Batterien zu beschleunigen“.

Gefördert wurde das Projekt mit dem Titel „Industriealisierbarkeit von Festkörperelektrolytzellen“ durch das Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie.
tum.de