Batterien auf Basis von Lithium-Titanat (LTO, Li₄Ti₅O₁₂) sind seit Langem gängige Energiespeicher. Im unbehandelten Zustand leitet das Material Lithium-Ionen jedoch vergleichsweise schlecht. Eine hohe Leitfähigkeit entwickelt es normalerweise erst während des Ladevorgangs. Bernhard Gadermaier und Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der Technischen Universität Graz (TU Graz) haben einen Weg gefunden, wie sich der Transport von Lithium-Ionen in Lithium-Titanat verbessern lässt.
Sie erzeugten gezielt Sauerstoff-Fehlstellen – vereinfacht gesagt kleine „Löcher“ im Kristallgitter. Dadurch wurde ein bereits in der Struktur vorhandener, bislang aber blockierter Wanderungsweg für Lithium-Ionen freigeschaltet. „Dieser Diffusionspfad ist im Material bereits durch die Lithium-Titanat-Struktur vorgeprägt, wird aber durch die Defektstruktur erst aktiviert“, erläutert Wilkening.
SO AKTIVIEREN DEFEKTE DEN SCHNELLEN IONENTRANSPORT IM BATTERIEMATERIAL
Um die Sauerstoff-Fehlstellen zu erzeugen, erhitzten Gadermaier und Wilkening Lithium-Titanat bei 300 Grad Celsius in einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Dabei werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt. Die dadurch entstehenden Leerstellen verändern die lokalen Bewegungsmöglichkeiten der Lithium-Ionen.
Die schnellere Ionenleitung wiesen die Forschenden mit Leitfähigkeitsspektroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) nach. Die NMR-Messungen lieferten dabei den direkten Hinweis auf den neu aktivierten Diffusionsweg.
In der Praxis zeigt die Studie vor allem ein wichtiges Prinzip der Materialforschung: Nicht nur die chemische Zusammensetzung entscheidet über die Eigenschaften eines Batteriematerials. Auch gezielt erzeugte Defekte können seine Funktion erheblich verändern. Langfristig könnte dieses Wissen helfen, Materialien für schnellere Ionentransporte gezielt zu entwickeln und damit neue Anwendungen in Batterien und der Elektronik zu ermöglichen.
GRUNDLAGENFORSCHUNG ERÖFFNET NEUE PERSPEKTIVEN
„Die Arbeit ist zugleich ein Paradebeispiel dafür, wie zweckfreie Grundlagenforschung neue Materialfunktionen hervorbringt“, sagt Wilkening. „Die gezielte Steuerung der Ionenleitfähigkeit durch Defektchemie eröffnet langfristig Perspektiven für ionotronische, memristive und neuromorphe Bauelemente in der Mikro- und Nanoelektronik.“
IN KÜRZE
- Lithium-Titanat besitzt im Kristallgitter potenzielle Wanderungswege für Lithium-Ionen.
- Im ursprünglichen Material ist einer dieser Wege jedoch kaum nutzbar.
- Durch das gezielte Entfernen einzelner Sauerstoffatome entstehen Sauerstofffehlstellen.
- Diese Defekte verändern die Struktur so, dass der bisher blockierte Diffusionspfad aktiviert wird.
- Die Lithium-Ionen können sich dadurch schneller durch das Material bewegen.
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