Forscher der Tokyo University of Science haben einen stabilen und hochleitfähigen Lithium-Ionen-Leiter entdeckt, der als fester Elektrolyt für neue Batterien verwendet werden kann. Diese Batterien gelten nicht nur als besonders sicher, sondern auch als leistungsstark und schnell ladbar.
Neue Feststoff-Lithium-Ionen-Batterien
Dass Feststoff-Lithium-Ionen-Batterien mit festen Elektrolyten sicherer und leistungsstärker als herkömmliche Batterien mit flüssigem Elektrolyt sind, war schon länger bekannt. Bisher hatten solche Materialien jedoch eine geringere Leitfähigkeit für Lithium-Ionen und waren somit nicht einfach als Kontaktfläche zu nutzen. Zudem reagierten einige feste Elektrolyte auf Feuchtigkeit, was zu toxischen Substanzen führte. Daher bestand Bedarf an nicht-sulfidischen festen Elektrolyten, die sowohl leitfähig als auch luftstabil sind.
„Die Herstellung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien in festem Zustand ist ein lang gehegter Traum vieler Batterieforscher. Wir haben einen oxidischen Festelektrolyten entdeckt, der eine Schlüsselkomponente für Lithium-Ionen-Batterien ist, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch Sicherheit aufweisen“, so Erfinder Kenjiro Fukimoto in einer Pressemitteilung. „Das Material ist nicht nur an der Luft stabil, sondern weist auch eine höhere Ionenleitfähigkeit auf als bisher bekannte oxidische Festelektrolyte.“
Für ihre Neuentdeckung setzten die Forscher auf einen stabilen und hochleitfähigen Lithium-Ionen-Leiter in Form eines Pyrochlor-Typs Oxyfluorids. Dieser Leiter zeigte eine höhere ionische Leitfähigkeit als zuvor bekannte oxidische feste Elektrolyte. Mit diesem Material führten die Wissenschaftler strukturelle und kompositionelle Analysen durch, darunter Röntgenbeugung, Rietveld-Analyse, optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und ausgewählte Bereichselektronenbeugung. Das entwickelte Material zeigte eine ionische Leitfähigkeit von 7,0 mS cm⁻¹ und eine Gesamtleitfähigkeit von 3,9 mS cm⁻¹ bei Raumtemperatur. Damit ist die sogenannte Aktivierungsenergie der Ionenleitung dieses Materials extrem niedrig. Bei niedrigen Temperaturen erreicht es gar eine der höchsten unter den bekannten Festelektrolyten.
Multitalent unter den Batterien
„Selbst bei –10 °C hat das neue Material die gleiche Leitfähigkeit wie herkömmliche Festelektrolyte auf Oxidbasis bei Raumtemperatur. Da auch die Leitfähigkeit über 100 °C nachgewiesen wurde, liegt der Betriebsbereich dieses Festelektrolyten bei –10 °C bis 100 °C“, schreiben die Forscher in der Mitteilung. „Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien können nicht bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt eingesetzt werden. Daher liegen die Betriebsbedingungen von Lithium-Ionen-Batterien für häufig verwendete Mobiltelefone bei 0 °C bis 45 °C“.
Nun hoffen die Erfinder auf die Entwicklung revolutionärer Batterien, die in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden können. Da das Material stabil ist und sich auch bei Beschädigung nicht entzündet, könnte es unter anderem in Flugzeugen zum Einsatz kommen. Zudem eigne es sich laut den Forschern auch für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge, da es bei hohen Temperaturen betrieben werden kann und schnelles Aufladen unterstützt. Darüber hinaus könne es auch in kleineren Batterien für Haushaltsgeräte und medizinischen Geräten zum Einsatz kommen.
Ihre Entdeckung veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Chemistry of Materials.
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