Festkörperbatterien sind die zurzeit vielversprechendste Technologie, um der Elektromobilität zum Durchbruch zu verhelfen. Batterien mit festen Elektrolyten, in denen sich Lithium-Ionen zwischen den Elektroden bewegen, sind somit der „heilige Gral“ der Festkörperbatterieforschung. Die Vorteile von solchen Systemen gegenüber aktuellen Lithium-Ionenbatterien mit flüssigen Elektrolyten liegen auf der Hand: Sie haben eine höhere Energiedichte und sind aufgrund ihrer nicht entflammbaren Komponenten deutlich sicherer.
Was bislang jedoch fehlte, waren geeignete Materialien mit einer ähnlich hohen Ionenleitfähigkeit wie sie flüssige Elektrolyte besitzen. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen 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 gemessenen Diffusionskoeffizienten übertreffen die aktuellen Spitzenkandidaten.
Ionen auf vergeblicher Platzsuche
Der neue Ionenleiter ist ein Lithium-Titanthiophosphat, der eine ungewöhnliche Kristallstruktur zeigt, die sich durch sogenannte „geometrische Frustration“ auszeichnet. Im Gegensatz zu anderen Ionenleitern bietet diese Kristallstruktur keine energetisch stark begünstigten Verweilplätze für die Ionen. Sie sind daher nie mit ihrem aktuellen Platz zufrieden und unterliegen somit einer Frustration. Berechnungen der Gruppe um Geoffroy Hautier von der belgischen Université catholique de Louvain zeigen, dass diese Frustration der Ionen zu einer sehr hohen Lithium-Beweglichkeit führt.
„Genau diese hohe Ionenbeweglichkeit wollen wir in Elektrolytkörpern für Feststoffbatterien haben“, erklärt Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz und Leiter des ebendort angesiedelten Christian Doppler Labors für Lithium-Batterien.
In einer Meldung der TU Graz gibt es weitere Details zur Studie sowie den Link zur Originalpublikation.