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Neue Zusammensetzung für Feststoffbatterien

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

In der Batterie von morgen werden Feststoffe die bisherigen Elektrolyt-Lösungen ersetzen. Eine Reihe neuer Natriumionenleiter wurdendafür nun an der LMU München entwickelt.

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Das Verständnis von Strukturen mit flachen Energielandschaften ist entscheidend für die Entwicklung von Festelektrolyten für die nächste Batteriegeneration ist.
Das Verständnis von Strukturen mit flachen Energielandschaften ist entscheidend für die Entwicklung von Festelektrolyten für die nächste Batteriegeneration ist.
(Bild: AdobeStock)

Die Tage der konventionellen Lithiumionen-Batterien sind gezählt, denn mit Feststoff-Batterien kommt langsam aber sicher eine Alternative auf den Markt. Ihr 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.

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 vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und Department Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität München (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. Anders ausgedrückt: 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 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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