Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des TUMint.Energy Research Labors haben ein Material entwickelt, das Lithium-Ionen mehr als 30 % schneller leitet als bisher bekannte Materialien. Die neuartige Verbindung aus Lithium, Antimon und Scandium könnte künftig die Leistungsfähigkeit von Festkörperbatterien verbessern.

Potenzial für künftige Festkörperbatterien

Festkörperbatterien gelten als zukunftsweisende Technologie, da sie im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien potenziell mehr Energie speichern können und auf brennbare Bestandteile verzichten.

Das Team um Prof. Thomas F. Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit dem Schwerpunkt auf neuartigen Materialien ersetzte in einer Lithium-Antimonid-Verbindung einen Teil des Lithiums durch das Metall Scandium. Dadurch entstehen gezielt bestimmte Lücken im Kristallgitter, sogenannte Vakanzen, wodurch sich die Lithium-Ionen leichter und schneller bewegen können.

Validierung der Ergebnisse durch weitere TUM-Forschungsgruppe

Da die gemessene Leitfähigkeit deutlich über den bekannten Materialien lag, wurde das Ergebnis in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Technische Elektrochemie unter der Leitung von Prof. Hubert Gasteiger überprüft. Tobias Kutsch, Mitautor der Studie und verantwortlich für die Validierungstests, erklärt:

„Da das Material auch Strom leitet, war es eine besondere Herausforderung, und wir mussten unsere Messmethoden entsprechend anpassen.“

Scandium als Schlüssel für vielseitige Anwendungen

Neben der hohen Leitfähigkeit bietet das Material laut den TUM-Forschern auch thermische Stabilität und lässt sich mit gängigen chemischen Methoden herstellen. Zudem sehen sie darin eine neue Klasse von Substanzen. Erstautorin Jingwen Jiang betonte, dass sich das Konzept auch auf andere chemische Systeme anwenden lässt:

„Unsere Kombination besteht aus Lithium-Antimon, aber das gleiche Konzept lässt sich leicht auf Lithium-Phosphor-Systeme übertragen. Während der bisherige Rekordhalter auf Lithium-Schwefel basierte und fünf zusätzliche Elemente zur Optimierung benötigte, benötigen wir nur Scandium als zusätzliche Komponente. Wir glauben, dass unsere Entdeckung weitreichende Auswirkungen auf die Verbesserung der Leitfähigkeit in einer Vielzahl anderer Materialien haben könnte.“

Patent angemeldet

„Unser Ergebnis stellt derzeit einen bedeutenden Fortschritt in der Grundlagenforschung dar. Durch den Einbau kleiner Mengen von Scandium haben wir ein neues Prinzip entdeckt, das sich als Blaupause für andere Elementkombinationen erweisen könnte. Obwohl noch viele Tests erforderlich sind, bevor das Material in Batteriezellen eingesetzt werden kann, sind wir optimistisch. Materialien, die sowohl Ionen als auch Elektronen leiten, eignen sich besonders gut als Zusatzstoffe in Elektroden. Aufgrund der vielversprechenden praktischen Anwendungen haben wir unsere Entwicklung bereits zum Patent angemeldet“, so Fässler.