In einem internationalen Forschungsprojekt wurde eine neue Klasse von Elektrolyten entdeckt. Diese sind zwar kristallin, verf\u00fcgen aber \u00fcber Bewegungseigenschaften, die eher jenen von Fl\u00fcssigelektrolyten \u00e4hneln. Der neue Festelektrolyt k\u00f6nnte den Durchbruch der Feststoffbatterie und somit der Elektromobilit\u00e4t markieren.<\/p>\n
Noch ist ein nachhaltiges und klimaschonendes Verkehrssystem auf Basis erneuerbarer Energien Zukunftsvision. Der Durchbruch der Elektromobilit\u00e4t w\u00e4re ein Riesenschritt in diese Richtung. Versprechen Elektrofahrzeuge doch die lokale Abgas-Emissionsfreiheit. Zuvor ist allerdings noch eine H\u00fcrde zu nehmen: die Realisierung effizienter und sicherer Akkumulatoren!<\/p>\n
Aktuelle State-of-the-Art-Akkumulatoren sind den fl\u00fcssigen Kraftstoffen f\u00fcr Verbrennungsmotoren noch unterlegen – sowohl von der Energiedichte als auch von der Wirtschaftlichkeit. Vorl\u00e4ufig haben sich Lithium-Ionen-Akkumulatoren durchgesetzt. Die Nachfrage h\u00e4lt sich allerdings noch in Grenzen. Was nachhaltig eingestellte Konsumenten abschreckt, sind hohe Preise und eine geringe Reichweite. Den Durchbruch erwartet man sich von der Feststoffbatterie.<\/p>\n
Feststoffbatterien weisen gegen\u00fcber Lithium-Ionen-Batterien eine deutlich h\u00f6here Energiedichte auf. Gleichzeitig sind diese kompakter und langfristig kosteng\u00fcnstiger als herk\u00f6mmliche Lithium-Ionen-Batterien. Ein weiterer Vorteil ist deren Unempfindlichkeit gegen\u00fcber Temperaturschwankungen. Bei fl\u00fcssigen Elektrolyten k\u00f6nnen gro\u00dfe Hitze und K\u00e4lte zu Einfrieren oder Sieden des Elektrolyten f\u00fchren. Das f\u00fchrt auch dazu, dass Festk\u00f6rperakkumulatoren nicht entflammbar sind.<\/p>\n
Woran die Entwicklung von Feststoffbatterien bisher gescheitet ist, das ist die geringe Ionen-Leitf\u00e4higkeit. Diese liegt immer noch unter jener von fl\u00fcssigen Elektrolyten.<\/p>\n
Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der TU M\u00fcnchen<\/em> und der belgischen Universit\u00e9 Catholique de Louvain<\/em> stellten Forschende der TU Graz<\/em> jetzt einen Festelektrolyt f\u00fcr Batterien vor, der die h\u00f6chste bisher gemessene Lithium-Ionenmobilit\u00e4t aufweist. Der neue Ionenleiter folgt der Summenformel LiTi2<\/sub>(PS4<\/sub>)3<\/sub> und ist ein Lithium-Titanthiophosphat<\/em> (LTPS). Das Material zeigt ein besonderes Merkmal: Es verf\u00fcgt \u00fcber eine Kristallstruktur, die zur geometrischen Frustration<\/em> f\u00fchrt. F\u00fcr den neuen Ionenleiter bedeutet dies, dass die Kristallstruktur keine energetisch stark beg\u00fcnstigten Verweilpl\u00e4tze f\u00fcr Ionen bietet. Die Ionen sind mit ihrem Platz nie zufrieden und unterliegen somit einer Frustration. Genau diese Frustration ist es, die zu einer sehr hohen Lithium-Beweglichkeit f\u00fchrt. Das zeigten Berechnungen der Gruppe um Geoffroy Hautier<\/a> von der belgischen Universit\u00e9 catholique de Louvain<\/a>.<\/em><\/p>\n \u201eDie Lithium-Ionen suchen mehr oder weniger \u201averzweifelt\u2018 einen geeigneten Platz und bewegen sich dabei sehr rasch durch die kristallographische Struktur von LTPS. Genau diese hohe Ionenbeweglichkeit wollen wir in Elektrolytk\u00f6rpern f\u00fcr Feststoffbatterien haben.\u201c<\/p><\/blockquote>\n Martin Wilkening<\/a> vom Institut f\u00fcr Chemische Technologie von Materialien<\/a> der TU Graz<\/a> und Leiter des ebendort angesiedelten Christian Doppler Labors f\u00fcr Lithium-Batterien<\/a>.<\/p>\n Das Team um Wilkening testete Hautiers Berechnungen in einem Experiment mit Kernresonanzmethoden und konnte diese best\u00e4tigen. Zwei Springprozesse gaben deutliche Hinweise auf die hohe Beweglichkeit der Ionen. LTPS weist eine ringf\u00f6rmige Struktur auf. Diese nutzen die Lithium-Ionen um hin- und her- und von einem Ring zum n\u00e4chsten zu springen. Dabei ist es der Inter-Ring-Prozess, der den langreichweitigen Ionentransport erm\u00f6glicht, erkl\u00e4rt Wilkening.<\/p>\n Die Intra-Ring-Springprozesse konnten selbst bei extrem niedrigen Temperaturen noch nicht vollst\u00e4ndig ausgeschaltet werden. Auch bei 20 Kelvin (minus 253 Grad Celsius) auf der Sensitivit\u00e4tsskala der Kernresonanzspektroskopie sind die Lithium-Ionen noch mobil und suchen nach einem geeigneten Platz innerhalb von LTPS<\/em>. Dieses Verhalten unterscheidet sich klar von jenem bekannter Ionen, deren Mobilit\u00e4t bei sinkenden Temperaturen deutlich abnimmt. Wobei die Betriebstemperatur in einer Feststoffbatterie in einem Elektrofahrzeug nie so niedrig sein wird, so Wilkening.<\/p>\n Die Eigenschaft der energetischen Frustration macht LTPS<\/em> zu einem Vertreter einer neuen Klasse von Elektrolyten. Diese sind zwar kristallin, verf\u00fcgen aber \u00fcber Bewegungseigenschaften, die eher jenen von Fl\u00fcssigelektrolyten \u00e4hneln. Die Entdeckung des leitungsf\u00e4higen Materials markiert den Anfang einer Suche nach weiteren Verbindungen, in denen ein \u00e4hnlicher Leitungsmechanismus vorherrscht.<\/p>\n Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Toyota Motor<\/em> Europe <\/a>erstellt. Weitere Kooperationspartner waren die Technischen Universit\u00e4ten in Graz und M\u00fcnchen<\/a>, das Toray Research Center<\/a> (Japan) und die Universit\u00e9 catholique de Louvain (UCLouvain; Belgien). Letztere reichte die Entdeckung von LTPS <\/em>zum Patent ein.<\/p>\n <\/p>\n Auch interessant:<\/strong><\/p>\n \u201eMillioneninvestition\u201c f\u00fcr revolution\u00e4re Wasserstoff-Brombatterie von Elestor<\/a><\/p>\n Festk\u00f6rperbatterie mit hoher Energiedichte dank Lithium-Anode<\/a><\/p>\n Deutsche Forscher machen Batterieproduktion umweltfreudlich<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" In einem internationalen Forschungsprojekt wurde eine neue Klasse von Elektrolyten entdeckt. Diese sind zwar kristallin, verf\u00fcgen aber \u00fcber Bewegungseigenschaften, die eher jenen von Fl\u00fcssigelektrolyten \u00e4hneln. Der neue Festelektrolyt k\u00f6nnte den Durchbruch der Feststoffbatterie und somit der Elektromobilit\u00e4t markieren. Noch ist ein nachhaltiges und klimaschonendes Verkehrssystem auf Basis erneuerbarer Energien Zukunftsvision. 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