Das Mischungsverhältnis der verschiedenen Elemente spielt eine wichtige Rolle für die Leitfähigkeit von Festelektrolyten.

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Batterieforschung Richtige Mischung: Festelektrolyten mit besonders hoher Leitfähigkeit gefunden

26.02.2020

In der Batterie der Zukunft werden Feststoffe die bisherigen Elektrolyt-Lösungen ersetzen. Ein Team der Ludwig-Maximilians-Universität München hat jetzt eine Reihe neuer Natriumionenleiter entwickelt. Das Geheimnis des besten Materials dieser Reihe steckt in der genauen Mischung der Zutaten.

Der große Vorteil von Feststoffbatterien im Vergleich zu ihren Lithium-Ionen-Pendants ist der Ersatz des flüssigen, lithiumhaltigen Elektrolyten durch einen Festelektrolyten. Er mindert die Brandgefahr, erspart den Einsatz eines äußeren Systems zur Temperaturregelung und ermöglicht schnelles Laden und Entladen.

Eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Festelektrolyten spielen die Elemente Natrium, Aluminium, Silizium und Schwefel. Alle vier Stoffe sind auf der Erde in Fülle vorhanden und günstig zu haben. Im richtigen Mischungsverhältnis können sie die Leitfähigkeit eines Festelektrolyten deutlich steigern.

Hier setzten Wissenschaftler um Prof. Bettina Lotsch vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und dem Department Chemie der LMU München an. Sie haben in einer aktuellen Publikation drei neue Verbindungen beschrieben und deren elektrische Eigenschaften bestimmt.

Dabei stellten sie fest, dass durch die Mischung der beiden Elemente Aluminium und Silizium mit Natrium und Schwefel im richtigen Verhältnis eine völlig neue Struktur (Na9AlS4SiS4) entsteht. Im Vergleich zu Verbindungen nur mit Aluminium oder Silizium mit Natrium und Schwefel (Na5AlS4 und Na4SiS4) ist diese besonders vorteilhaft für den Ionentransport.

Flache Energielandschaft

Die Natriumionen besitzen im mit den anderen drei Elementen aufgespannten Netzwerk viele verschiedene und unregelmäßig geformte Umgebungen. Sie können sich dadurch besonders leicht durch den Elektrolyten bewegen – sozusagen durch eine flache Energielandschaft.

Theoretische Rechnungen mit der sogenannten Bond-Valence-Energy-Landscapes- oder BVEL-Methode unterstützen diese Annahme. Durch eine Prise mehr Silizium konnten die Forscher die Menge der Ladungsträger in Form der beweglichen Natriumionen verbessern, und es entstand das von allen Verbindungen am schnellsten leitende Material: Na8.5(AlS4)0.5(SiS4)1.5.)

Die Forschungsergebnisse verdeutlichen, wie wichtig das Verständnis von Strukturen mit flachen Energielandschaften für die Entwicklung von Festelektrolyten für die nächste Generation an Batterien ist.

Bildergalerie

  • Grafik des neuartigen Festelektrolyts aus einer Mischung mit Natrium, Schwefel, Aluminium und Silizium.

    Bild: AG Lotsch

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