Ein Forscherteam aus München hat einen entscheidenden Durchbruch bei der Effizienz von Akkus erreicht. Mit einem neuartigen Lithiumionen-Leiter könnten Batterien künftig deutlich mehr Energie speichern.
Die Batterietechnologie wird für die Energiewende eine entscheidende Rolle spielen. Denn Batterien und Akkus können Strom aus Wind oder Sonne speichern und so eine stabile und klimafreundliche Versorgung ermöglichen. Auch für den Erfolg der Elektromobilität stellt die Batterietechnologie den Schlüssel dar.
Denn nur mit leistungsstarken Speichern kann die als Alternative zu fossilen Brennstoffen alltagstauglich werden. Entscheidend für Fortschritte in diesem Bereich werden künftig Festkörperbatterien sein. Denn sie stellen eine wichtige Zukunftstechnologie dar, da sie mehr Energie speichern können und nicht aus brennbaren Materialien wie die derzeit üblichen Lithium-Batterien bestehen.
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Forschern der Technischen Universität München und der TUMint.Energy Research GmbH ist in diesem Bereich nun offenbar ein wichtiger Durchbruch gelungen. Denn sie haben aus Lithium, Antimon und Scandium einen neuen Lithiumionen-Leiter entwickelt, der Lithiumionen mehr als 30 Prozent schneller leiten kann als alle bisher bekannten Stoffe.
Lithiumionen-Leiter für schnelleren Stromfluss
Für den verbesserten Lithiumionen-Leiter haben die Forscher einen Teil des Lithiums in der Verbindung Lithium-Antimonid durch das Metall Scandium ersetzt. Im Ergebnis dieser Zusammensetzung entstehen gezielt Lücken im Kristallgitter des Leitermaterials, die als Leerstellen bezeichnet werden.
Diese Lücken wiederum erleichtern es den Lithiumionen, sich besser und schneller zu bewegen, was einen besonders schnellen Stromfluss nach sich zieht. Doch nicht nur die erhöhte Geschwindigkeit ist ein Vorteil dieser Entdeckung. Denn das Material bietet auch thermische Stabilität und kann mit bewährten chemischen Verfahren einfach hergestellt werden. So könnten Batterien nicht nur leistungsfähiger, sondern beispielsweise für E-Autos auch sicherer und alltagstauglicher werden und die Brandgefahr minimieren.
„Unser Ergebnis stellt derzeit einen wesentlichen Fortschritt in der Grundlagenforschung dar“, erklärt Prof. Thomas F. Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München. „Mit dem Einbau von kleinen Mengen Scandium sind wir auf ein neues Prinzip gestoßen, das sich als richtungsweisend für andere Elementkombinationen erweisen könnte.“
Völlig neue Substanzklasse entdeckt
Die Forscher konnten mit ihrer Entdeckung die Ionenleitfähigkeit auf 42 Millisiemens pro Zentimeter erhöhen – ein neuer Weltrekord. Bisher konnten hier maximal 32 Millisiemens erreicht werden.
Bis der neuartige Lithiumionen-Leiter in Batteriezellen tatsächlich zum Einsatz kommt, sind laut Fässler „noch viele Tests notwendig“. Er sei allerdings zuversichtlich, „weil Materialien, die sowohl Ionen als auch Elektronen leiten können, sich besonders gut als Zusatz in Elektroden eignen“.
Doch die Forscher haben nicht nur die Leitfähigkeit enorm erhöht, sondern auch 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“, erklärt Erstautorin Jingwen Jiang, Forscherin bei der TUMint.Energy Research GmbH.
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