Über den Schaufelradmechanismus hinaus
Aufklärung des mikroskopischen Lithium-Ionen-Transports in Festkörperelektrolyten für Batterien der nächsten Generation
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Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Bong June Sung vom Fachbereich Chemie der Sogang-Universität und Professor Shinji Saito vom Institut für Molekularwissenschaften (IMS), National Institutes of Natural Sciences (NINS) sowie der Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI, hat auf molekularer Ebene aufgeklärt, wie sich Lithiumionen in organischen ionischen Kunststoffkristallen (OIPCs) bewegen – Materialien, die als Festelektrolyte für Batterien der nächsten Generation Aufmerksamkeit erregen.
In OIPCs ist das Material zwar fest, doch Moleküle und Ionen innerhalb des Kristalls rotieren aktiv an Ort und Stelle; folglich galt der „Schaufelradmechanismus“ – bei dem diese Rotationsbewegung die Lithium-Ionen vorwärts treibt – lange Zeit als der primäre Mechanismus der Ionenleitung. In dieser Studie haben die Forscher diese Hypothese theoretisch anhand von Molekulardynamik-Simulationen auf einem Supercomputer und einer Hop-Funktions-Analyse, die einzelne Ionen-Sprünge präzise erfasst, erneut untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bewegung der Lithium-Ionen nicht direkt durch die umgebende Rotationsbewegung angetrieben wird, sondern vielmehr durch die koordinierte Umordnung eines aus den umgebenden Anionen gebildeten Ionenkäfigs erfolgt. Insbesondere konnten wir theoretisch nachweisen, dass die Bewegung des Lithiumions deutlich zunimmt, wenn die Anzahl der ein Lithiumion umgebenden Anionen vorübergehend abnimmt – wodurch sich der Käfig „öffnet“.
Viele Lithium-Ionen-Batterien, die in Smartphones und Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, verwenden flüssige Elektrolyte. Flüssige Elektrolyte sind jedoch brennbar, und die Gefahr von Bränden oder Explosionen bleibt ein großes Problem. Um dieses Problem anzugehen, wird derzeit an der Entwicklung hochsicherer fester Elektrolyte als vielversprechende Lösung geforscht.
Unter diesen finden organische ionische Kunststoffkristalle (OIPCs) als „weiche Feststoffe“ Beachtung – Materialien, die zwar fest sind, in denen sich die Moleküle und Ionen im Inneren jedoch aktiv an Ort und Stelle drehen können. Eine solche Molekülbewegung hat das Potenzial, die Ionenwanderung innerhalb des Festkörpers zu erleichtern, und es wird erwartet, dass OIPCs als Materialien dienen, die Sicherheit mit hoher Ionenleitfähigkeit verbinden.
In Lithium-Ionen-Batterien erfolgen das Laden und Entladen dadurch, dass sich Lithium-Ionen durch den Elektrolyten im Inneren der Batterie bewegen. Daher ist bei der Entwicklung von Festelektrolyten – einschließlich OIPCs – das Verständnis darüber, wie und wie schnell sich Lithium-Ionen innerhalb des Elektrolyten bewegen können, entscheidend für die Entwicklung leistungsstarker, sicherer Batteriematerialien der nächsten Generation.
Die Ionenleitung in OIPCs wurde bislang vor allem durch den „Schaufelradmechanismus“ erklärt. Bei diesem Mechanismus wird angenommen, dass die Drehbewegung umgebender großer Moleküle und Ionen wie die Schaufeln eines Wasserrades wirkt und die Lithium-Ionen an ihre nächste Position drückt. Es war jedoch nicht vollständig geklärt, wann, wo und wie sich einzelne Lithium-Ionen tatsächlich bewegen.
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