24.02.2020 - Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Batterieforschung: Die Mischung macht´s

Neuartiger Festelektrolyt aus einer Mischung von Natrium, Schwefel, Aluminium und Silizium

In der Batterie der Zukunft werden Feststoffe die bisherigen Elektrolyt-Lösungen ersetzen. Eine Reihe neuer Natriumionenleiter hat jetzt ein LMU-Team entwickelt. Das Geheimnis des besten Materials der Reihe steckt in der genauen Mischung der Zutaten.

Die Tage der konventionellen Lithiumionen-Batterien sind gezählt, denn mit Feststoff-Batterien ist eine hervorragende Alternative auf den Markt gekommen. Ihr großer Vorteil ist der Ersatz des flüssigen Lithium-haltigen Elektrolyten durch einen Festelektrolyten. Er mindert die Brandgefahr, erspart den Einsatz eines äußeren Systems zur Temperaturregelung und ermöglicht schnelles Laden und Entladen. Um in Zukunft vermehrt Batterien ohne die kritische Ressource Lithium herstellen zu können, wurden neue Systeme mit Natrium als Ersatz entwickelt. Entscheidend für deren Erfolg ist die Leitfähigkeit, die so hoch wie möglich sein sollte.

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. Und im richtigen Mischungsverhältnis können sie die Leitfähigkeit eines Festelektrolyten deutlich steigern. Die Wissenschaftler und Wissenschaftler um Professor Bettina Lotsch vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und Department Chemie der LMU 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.

Die Natriumionen besitzen im mit den anderen drei Elementen aufgespannten Netzwerk viele verschiedene und unregelmäßig geformte Umgebungen und können sich dadurch besonders leicht durch den Elektrolyten bewegen. Man sagt, sie bewegen sich durch eine flache Energielandschaft. Theoretische Rechnungen mit der sogenannten Bond Valence Energy Landscapes (BVEL) Methode unterstützen diese Annahme. Durch eine Prise mehr Silizium konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die Menge der Ladungsträger in Form der beweglichen Natriumionen optimieren, und es entstand das von allen Verbindungen am schnellsten leitende Material: Na8.5(AlS4)0.5(SiS4)1.5.

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

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