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Kristallgitter aus leichten Elementen macht Festkörperbatterien sicherer
Ein neu untersuchtes Kristallgerüst aus überwiegend leichten Elementen bietet Lithium-Ionen sehr niedrige Wanderungsbarrieren. Messungen und Simulationen zeigen aber zugleich, dass die Bildung der nötigen Defekte viel Energie kostet und die derzeitige Zusammensetzung deshalb noch schlecht leitet. Eine lithiumreiche Variante könnte diesen Engpass umgehen und damit leichtere Festkörperbatterien ermöglichen.
Chofu (Japan). Festkörperbatterien ersetzen den brennbaren flüssigen Elektrolyten herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus durch feste Materialien und gelten deshalb als aussichtsreicher Weg zu sichereren Energiespeichern. Bei oxidischen Festelektrolyten kommen jedoch häufig schwere Elemente wie Lanthan und Zirkonium zum Einsatz, wodurch ihre hohe Dichte den möglichen Gewichtsvorteil begrenzt.
Ein möglicher Ausweg sind Kristallstrukturen, die überwiegend aus leichteren Elementen bestehen und Lithium-Ionen trotzdem rasch transportieren, wie nun RbLi(Li3SiO4)2 zeigt. Seine theoretische Dichte beträgt 2,74 Gramm pro Kubikzentimeter und liegt damit rund 46 Prozent unter den 5,12 Gramm pro Kubikzentimeter des häufig untersuchten Garnet-Elektrolyten Li7La3Zr2O12.
Forscher der Nichia Corporation um Akihide Ichikawa haben RbLi(Li3SiO4)2 durch eine Festkörperreaktion hergestellt und als polykristallines Pulver sowie als gesinterte Pellets untersucht. Zusätzlich kombinierten sie quantenmechanische Berechnungen mit einer durch neuronale Netzwerke beschleunigten Molekulardynamik, um die Bewegung der Lithium-Ionen im Kristallgitter auf atomarer Ebene zu verfolgen.
Das Material besitzt eine monokline UCr4C4-Struktur mit zunächst eindimensional wirkenden Lithiumkanälen entlang einer Kristallachse. Die Simulationen zeigen jedoch, dass diese Kanäle miteinander verbunden sind und dadurch ein dreidimensionales Transportnetz bilden. Lokale Punktdefekte können den Ionentransport deshalb weniger leicht vollständig unterbrechen als in einem rein eindimensionalen Leiter.
Für Lithium-Ionen auf Zwischengitterplätzen ermittelten die Forscher eine Migrationsbarriere von nur 0,30 Elektronenvolt. Der Wert liegt nahe bei etablierten schnellen Oxidleitern wie Li7La3Zr2O12 mit 0,26 Elektronenvolt und Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3 mit 0,27 Elektronenvolt. Nach den Berechnungen treibt dabei die elektrische Abstoßung benachbarter Lithium-Ionen eine gekoppelte Bewegung durch die Kanäle an.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das zuvor übersehene UCr4C4-Gerüst als hochaktive Plattform für den Lithium-Ionen-Transport dient. Das liefert einen klaren Fahrplan für die Zusammensetzung, um leichte, sichere und leistungsfähige Festkörperbatterien zu entwickeln“, erklärt Prof. Jun Nakamura von The University of Electro-Communications (UEC Tokyo).
Die geringe Migrationsbarriere bedeutet allerdings noch keine hohe Leitfähigkeit des heute hergestellten Materials. In der stöchiometrischen Zusammensetzung benötigt die Bildung der für den Transport wichtigen Frenkel-Defekte 1,26 Elektronenvolt. Dieser Schritt kostet damit deutlich mehr Energie als die anschließende Bewegung eines bereits vorhandenen Lithiumions und wird zum eigentlichen Engpass.
Das zeigt sich in den Messungen an den Pellets, denn bei 150 Grad Celsius erreichte RbLi(Li3SiO4)2 eine Ionenleitfähigkeit von nur 2,9 × 10⁻⁸ Siemens pro Zentimeter. Die gemessene Leitfähigkeit bleibt damit trotz der niedrigen Migrationsbarriere sehr gering, obwohl das Kristallgerüst grundsätzlich einen schnellen Ionentransport zulässt.
Die Autoren schlagen deshalb vor, beim Herstellen einen Lithiumüberschuss einzubauen, damit zusätzliche Lithium-Ionen die aufwendige Defektbildung teilweise umgehen und den vorhandenen Transportwegen mehr bewegliche Ladungsträger zuführen könnten. Ob lithiumreiche Varianten tatsächlich die erhoffte hohe Leitfähigkeit erreichen, muss jedoch erst experimentell gezeigt werden. Entscheidend ist damit vorerst weniger der konkrete Stoff als das neu erschlossene UCr4C4-Gerüst als Bauplan für leichtere Festelektrolyte.