Einen Weltrekord für Lithiumionen-Leiter und damit einen wichtigen Schritt bei der Verbesserung von Festkörperbatterien meldet die Technische Universität München: Wissenschaftler der TUM und der TUMint.Energy Research GmbH haben ein neues Material aus Lithium, Antimon und Scandium entwickelt, das der Mitteilung zufolge Lithiumionen über 30 Prozent schneller leitet als alle bisher bekannten Stoffe. Festkörperbatterien gelten als wichtige Zukunftstechnologie, da sie mehr Energie speichern können als die derzeit üblichen Lithium-Batterien und nicht aus feuergefährlichen Materialien bestehen.
Konkret hat das Team um Thomas F. Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt neue Materialien demnach einen Teil des Lithiums in der Verbindung Lithium-Antimonid durch das Metall Scandium ersetzt. Dadurch seien gezielt Lücken, sogenannte Leerstellen, im Kristallgitter des Leitermaterials entstanden. Diese würden den Lithiumionen ermöglichen, sich leichter und schneller zu bewegen. Da der erreichte Wert so deutlich über denen der bekannten Materialien liegt, hat der der TUM-Lehrstuhl für Technische Elektrochemie um Hubert Gasteiger das Ergebnis abgesichert.
„Unser Ergebnis stellt derzeit einen wesentlichen Fortschritt in der Grundlagenforschung dar. Mit dem Einbau von kleinen Mengen Scandium sind wir auf ein neues Prinzip gestoßen, das sich als richtungsweisend für andere Elementkombinationen erweisen könnte“, so Thomas F. Fässler. Er sieht große Potenziale für das neue Material, auch wenn für eine Anwendung in einer Batteriezelle noch viele Tests notwendig seien. „Wir sind zuversichtlich, weil Materialien, die sowohl Ionen als auch Elektronen leiten können, sich besonders gut als Zusatz in Elektroden eignen.“ Neben der höheren Geschwindigkeit biete das Material auch thermische Stabilität und sei mit bewährten chemischen Verfahren einfach herzustellen. Da sich daraus vielversprechende praktische Anwendungen ergeben können, sei die Entwicklung auch bereits zum Patent angemeldet worden.
Wie Erstautorin Jingwen Jiang von der TUMint.Energy Research GmbH hervorhebt, wurde im Zuge der Forschungsarbeit sogar eine völlig neue Substanzklasse entdeckt. „Unsere Kombination besteht aus Lithium-Antimon und kann einfach auch auf Lithium-Phosphor übertragen werden. Während der bisherige Rekordhalter auf Lithium-Schwefel basierte und zur Optimierung fünf weitere Elemente benötigt, wird bei uns lediglich Scandium als weitere Komponente gebraucht. Wir gehen davon aus, dass unsere Entdeckung über dieses Beispiel hinaus Bedeutung für die Erhöhung der Leitfähigkeit bei anderen Substanzen haben kann.“ Die detaillierten Ergebnisse haben die Wissenschaftler in Advanced Energy Materials unter dem Titel „Scandium Induced Structural Disorder and Vacancy Engineering in Li3Sb – Superior Ionic Conductivity in Li3−3xScxSbv“ veröffentlicht.
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