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Festkörper-Elektrolyte: Geeignete chemische Verbindungen durch atomistische Simulation

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Mithilfe atomistischer Simulationen konnten erstmals mehrere chemische Kombinationen für Feststoff-Elektrolyte aus Keramik identifiziert werden. Dadurch sollen die Leistung als auch die Betriebssicherheit künftiger Lithium-Ionen Batterien deutlich gesteigert werden.

Feststoff-Elektrolyte sind umweltfreundlicher als herkömmliche Flüssig-Elektrolyte und könnten für eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit sorgen.
Feststoff-Elektrolyte sind umweltfreundlicher als herkömmliche Flüssig-Elektrolyte und könnten für eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit sorgen.
(Bild: ©Patrick P. Palej - stock.adobe.com)

„Die Überlegung, dass keramische Festkörper-Elektrolyte eine vielversprechende Alternative für herkömmliche Flüssig-Elektrolyte in Batterien und Akkumulatoren sein könnten, ist in der Materialwissenschaft nicht neu“, erklärt Dr. Daniel Mutter, Wissenschaftler der Gruppe Materialmodellierung am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssig-Elektrolyten sind Festkörper-Elektrolyte sicherer im laufenden Betrieb: Sie bergen eine deutlich geringere Explosionsgefahr und bei einer Beschädigung, beispielsweise durch einen Crash, tritt keine Säure aus, die bei Menschen Verätzungen und Vergiftungen hervorrufen kann.

Im Allgemeinen fällt die ionische Leitfähigkeit von Keramik-Materialien geringer aus als die von Flüssig-Elektrolyten. Eine hohe ionische Leitfähigkeit verspricht jedoch die Klasse der sogenannten NZP-Keramiken: Ihr struktureller Aufbau ermöglicht die Existenz von „Wanderpfaden“, auf denen sich Lithium-Ionen leicht fortbewegen können. Das macht sie zum interessanten Kandidat für hochleistungsfähige Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen Batterien.

Unklar war bisher allerdings, warum bestimmte Verbindungen leistungsfähiger sind als andere und welche tatsächlich besonders gute Leistung erbringen. Die Anforderungen an die Materialeigenschaften von Batterie-Elektrolyten sind beachtlich: Die ionische Leitfähigkeit soll hoch und die verwendeten chemischen Elemente sowohl ungiftig als auch reichhaltig in der Erdkruste vorhanden sein.

Dr. Mutter identifizierte nun mithilfe atomistischer Simulationen mehrere Kombinationen chemischer Elemente für NZP-Keramiken, die für diese Anforderungen besonders vielversprechend sind. „Mit dieser computerbasierten Forschung können wir gesicherte Aussagen zu den Eigenschaften und der Stabilität verschiedener chemischer Elementverbindungen machen, ohne diese tatsächlich chemisch synthetisieren zu müssen“, erklärt der Forscher. Der Vorteil: Die tatsächliche Synthese ist teuer und benötigt Ressourcen. Die Simulationen führte er am Großrechner des Steinbuch-Supercomputer-Centers am Karlsruher Institut für Technologie durch.

Leichtere Batterien mit zahlreich in der Erde vorhandenen Elementen

„Diese besonders vorteilhaften Keramik-Festkörper-Elektrolyte können wir unter Umständen mit sehr leistungsfähigen Lithium-Metall-Anoden kombinieren – das ist bei den heute gebräuchlichen flüssigen Elektrolyten nicht möglich, denn sie reagieren stark mit metallischem Lithium und beschädigen dadurch die Batterie“, erklärt Dr. Mutter. „Im nächsten Schritt könnten wir mit Partnern praktisch testen, ob unsere vorhergesagten Elektrolytmaterialien die Ionenleitfähigkeit wie erwartet deutlich steigern und daraus bestehende Batterien eine sehr viel höhere Energie- und Leistungsdichte erreichen“, sagt der Physiker.

Das hieße konkret: Kürzere Ladedauer bei längerer Betriebszeit, was insbesondere für die Elektromobilität von Vorteil wäre. Zudem bedeutet diese Kombination weniger Gewicht, da Lithium-Metall-Anoden bei gleicher Kapazität deutlich leichter sind als die bisher verwendeten Graphit-Anoden.

Ergänzendes zum Thema
Was sind NZP-Keramiken?

Die Klasse der NZP-Keramiken ist seit den 1960er Jahren bekannt und wird auch mit dem Begriff NASICON bezeichnet. Ihren Namen erhielt sie von der chemischen Struktur NaZr2(PO4)3, für die besonders positive Eigenschaften für die Herstellung von Festkörper-Elektrolyten entdeckt wurden. Die Stabilität von NZP-Keramiken wird durch eine charakteristische Laternen-Struktur der von den Sauerstoffatomen gebildeten Polyeder um die anderen Elemente ermöglicht.

Hoffnungsträger für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien: Festkörper-Elektrolyt (hier LiTi2(PO4)3, Li-grün, Ti-blau, P-lila, O-rot) mit Darstellung der Wanderungspfade für Lithium-Ionen (gelbe Bänder).
Hoffnungsträger für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien: Festkörper-Elektrolyt (hier LiTi2(PO4)3, Li-grün, Ti-blau, P-lila, O-rot) mit Darstellung der Wanderungspfade für Lithium-Ionen (gelbe Bänder).
( Bild: Fraunhofer IWM )

Daraus ergibt sich ein dreidimensionales Netzwerk von Wanderungspfaden für Lithium-Ionen, was zu einer hohen Ionenleitfähigkeit der Keramik führt. Die chemischen Elemente Natrium, Zirkonium und Phosphor können variiert werden. So kann – wie in der Grafik zu sehen – Natrium durch Lithium und Zirkonium durch Titan ersetzt werden. Die Variierbarkeit der Elemente ermöglicht, die Materialeigenschaften für eine Vielzahl elementarer Kombinationen computergestützt zu analysieren.

Die chemischen Elemente, aus denen die Elektrolytmaterialien bestehen, an denen Dr. Mutter forscht, sind zahlreich in der Erdkruste in Europa vorhanden und verhältnismäßig leicht abbaubar. So wird vermieden, dass Elemente wie etwa Kobalt, das beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien von Smartphones zum Einsatz kommt und oftmals aus dem Kongo importiert wird, zur Herstellung benötigt werden.

Über die Vorhersage vielversprechender Materialzusammensetzungen hinaus trägt Dr. Mutter mit seiner Forschung zum besseren Verständnis der atomaren Vorgänge in NZP-Keramiken bei. Er fand heraus, dass die für die Lithium-Ionen-Wanderung nötige Migrationsenergie auf eine andere Weise von der Sauerstoffumgebung um den Ionenwanderungspfad abhängt als bisher vermutet. Identifizierte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen deutlich fundiertere Vorhersagen über die Auswirkungen der elementaren Besetzungen auf das Strukturgerüst und die Ionenleitfähigkeit der NZP-Keramiken. Die Originalpublikation können Sie im Journal of Applied Physics nachlesen.

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