Festkörperbatterien: Mit Lücken zum Weltrekord für Lithiumionen-Leiter

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der TUMint.Energy Research GmbH melden einen Weltrekord für die Leitgeschwindigkeit einer Festkörperbatterie. In einer der Lithiumverbindungen einer solchen Batterie, dem Lithium-Antimonid, wurde das Lithium durch das Metall Scandium ersetzt. Dadurch entstehen Lücken in dem neuartigen Material aus Lithium, Scandium und Antimon, wodurch Lithium-Ionen um mehr als 30 Prozent schneller geleitet werden können als bisher möglich.

Damit gelang dem Team um Prof. Thomas F. Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien ein Weltrekord. Professor Fässler sieht in diesem Ergebnis einen wichtigen Fortschritt für die Grundlagenforschung. "Mit dem Einbau von kleinen Mengen Scandium sind wir auf ein neues Prinzip gestoßen, das sich als richtungsweisend für andere Elementkombinationen erweisen könnte. Für eine Anwendung in einer Batteriezelle sind noch viele Tests notwendig", ergänzt der Leiter des Lehrstuhls für Anorganische Chemie der TU München.

Leerstellen im Kristallgitter als neue Designstrategie

Diese Forschungsarbeiten zur Erzeugung von Leerstellen im Kristallgitter einer Festkörperbatterie können als Designstrategie für sogenanntes Vakanz-Engineerung gesehen werden. Denn durch den teilweisen Ersatz von Lithium (Li) durch Scandium (Sc) in einfachen binären Verbindungen können sich die Lithium-Ionen dank der "Lücken" schneller und leichter bewegen. Weil der Wert für die Ionenleitfähigkeit so unerwartet hoch ausfällt und auch die Aktivierungsenergie sehr niedrig ist, hat das Forscherteam um Professor Fässer die Ergebnisse von einer anderen Arbeitsgruppe überprüfen lassen.

Zudem haben die Wissenschaftler im Rahmen ihrer Forschungsarbeit eine neue Substanzklasse entdeckt. Die Kombination aus Lithium und Antimon lässt sich laut Erstautorin Jingwen Jiang von der TUMint.Energy Research GmbH auch leicht auf Lithium-Phosphor übertragen. Der bisherige Leitfähigkeitsrekord bestand aus Lithium-Schwefel mit fünf weiteren Elementen, während der neue Weltrekordhalter nur noch Scandium als zusätzliche Komponente benötigt. "Wir gehen davon aus, dass unsere Entdeckung über dieses Beispiel hinaus Bedeutung für die Erhöhung der Leitfähigkeit bei anderen Substanzen haben kann", ergänzt die Erstautorin der Studie.