Neuer Werkstoff verspricht bessere Festkörperbatterien

Ein neuartiger Oxyhalid-Kristall zeigt, wie sich Lithium selbst bei Kälte effizient bewegen kann – ein möglicher Impuls für die nächste Generation von Festkörperbatterien.

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen kristallinen Festkörperelektrolyten vorgestellt, der die Entwicklung leistungsfähigerer Lithiumbatterien voranbringen könnte. In der Fachzeitschrift Science beschreibt das Team einen Oxyhalid-Werkstoff namens Lithium-Tantal-Oxychlorid (LTOC), der selbst bei niedrigen Temperaturen eine hohe Ionenleitfähigkeit zeige.

Beteiligt an der Forschung war der Chemiker James Kaduk vom Illinois Institute of Technology, der einen zentralen Beitrag zur Strukturaufklärung leistete: Kaduk identifizierte, wo sich die Lithiumionen innerhalb des Kristallgitters befinden und auf welchen Wegen sie sich bewegen können. Diese Information gilt als entscheidend, um die ungewöhnlich gute Leitfähigkeit des Materials zu verstehen und gezielt weiterzuentwickeln.

Warum Lithium in LTOC so beweglich ist

Die Bestimmung der Lithiumpositionen erwies sich als schwierig, da das übliche Werkzeug der Kristallanalyse, die Röntgenbeugung, leichte Elemente nur unzureichend abbildet. Laut Kaduk ist Lithium mit nur drei Elektronen besonders schwer nachzuweisen, wenn es von schweren Atomen wie Tantal umgeben ist.

Statt die Lithiumionen direkt zu lokalisieren, nutzte er einen indirekten Ansatz. Zunächst wurden die Positionen der schwereren Atome bestimmt. Aus den dabei entstehenden Zwischenräumen leitete Kaduk mögliche Gitterplätze für Lithium ab. Diese lagen demnach so dicht beieinander, dass ein leichter Ionentransport möglich ist.

Offene Kanäle im Kristallgitter

Die so rekonstruierte Struktur zeigte lange, starre Ketten aus Tantal, Sauerstoff und Chlor, zwischen denen offene Kanäle entstehen. Entlang dieser Kanäle können Lithiumionen vergleichsweise frei diffundieren, was die hohe Leitfähigkeit des Materials erklärt.

Zur Überprüfung setzten die Forscher quantenmechanische Simulationen ein. Kaduk sagte, man habe dichtefunktionale quantenmechanische Methoden verwendet, um die Struktur zu optimieren. Dabei sei sie nahezu unverändert stabil geblieben. Die Ergebnisse gelten als ein wichtiger Schritt hin zu Festkörperelektrolyten, die auch bei Kälte zuverlässig arbeiten und damit für Anwendungen von Elektrofahrzeugen bis zu stationären Energiespeichern relevant sein könnten.