Weltrekord bei Feststoffbatterien Scandium ersetzt Teile von Lithium

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Feststoffbatterien gelten schon länger als der „heilige Gral“ in der Batterieforschung. Zwar existieren sie inzwischen schon in marktreifen Produkten, aber es gibt immer noch Hürden, welche überwunden werden müssen. Die TU München hat nun im Bereich Materialforschung einen Weltrekord aufgestellt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien versprechen Feststoffbatterien entscheidende Vorteile. Zum einen mehr Sicherheit, aber vor allem auch eine höhere Energiedichte und längere Lebensdauer. Der zentrale Unterschied liegt im Elektrolyten. Statt einer flüssigen, oft brennbaren Lösung verwenden Feststoffbatterien feste Materialien. Das minimiert das Risiko von Kurzschlüssen und „thermischem Durchgehen“ (Thermal Runaway). Dies sind die zwei größten Schwachstellen heutiger Akkusysteme, insbesondere bei hoher Belastung oder in der Elektromobilität.

Der Engpass ist die Ionenleitfähigkeit

Der Knackpunkt bei Feststoffbatterien liegt bislang in der eingeschränkten Beweglichkeit der Lithiumionen im festen Elektrolyten. Im Vergleich zur schnellen Ionenbewegung in Flüssigkeiten wirken Festkörper oft wie ein zäher Filter – ein Hindernis für schnelle Ladezeiten und hohe Leistung.

Weltrekord durch Kristalllücken

Ein Team um Prof. Thomas F. Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München konnte nun diese Hürde gezielt überwinden. Die Forschenden modifizierten das bekannte Material Lithium-Antimonid, indem sie einen Teil des Lithiums durch das Metall Scandium ersetzten. Das gezielte Einbringen von Scandium erzeugt Lücken im Kristallgitter, durch die sich Lithiumionen schneller bewegen können.

Das Resultat: eine Ionenleitfähigkeit, die sämtliche bisher bekannten Feststoff-Leitermaterialien übertrifft. Damit wurde ein neuer Weltrekord aufgestellt.

Absicherung durch interdisziplinäre Zusammenarbeit

Da das Material nicht nur Ionen, sondern auch elektrischen Strom leitet (was bei der Messung stört), wandte sich das Team an den Lehrstuhl für Technische Elektrochemie von Prof. Hubert Gasteiger, um die Ergebnisse unabhängig zu überprüfen. Dort übernahm Koautor Tobias Kutsch die anspruchsvollen Messungen und passte die Methoden an die besonderen Eigenschaften des Materials an. Die Zusammenarbeit war entscheidend, um den Rekordwert zweifelsfrei zu bestätigen.

Noch bemerkenswerter ist jedoch, dass durch diese Forschung eine völlig neue Substanzklasse identifiziert wurde. Die gezielte Kombination von Elementen und Strukturmerkmalen eröffnete neue Perspektiven in der Materialchemie. Ein bedeutender Schritt, den die Erstautorin Jingwen Jiang, Forscherin bei der TUMint.Energy Research, maßgeblich mitgestaltet hat.

Was bedeutet das für die Praxis?

Die neue Materialklasse könnte künftig in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz kommen. Besonders für die Automobilindustrie wäre ein belastbarer, sicherer Festelektrolyt ein richtungsweisender Fortschritt. Fahrzeuge könnten bei gleichem Gewicht größere Reichweiten erzielen oder bei gleicher Reichweite leichter werden. Und dazu noch sicherer gegenüber Bränden bei Unfällen werden.

Doch trotz des Durchbruchs auf Materialebene bleiben noch Fragen offen. Die Skalierbarkeit der Herstellung, die Langzeitstabilität im Betrieb und die Integration in bestehende Zellkonzepte müssen nun schrittweise gelöst werden. Erst wenn diese Punkte geklärt sind, wird sich zeigen, ob der neue Elektrolyt auch außerhalb des Labors seine Stärken ausspielen kann.

Die Forschungsergebnisse sind ein großer Schritt nach vorne. Des weiteren liefert die TU München damit ein starkes Signal: Die technischen Hürden sind nicht unüberwindbar. Wenn es gelingt, die neuen Materialien in praxistaugliche Batteriesysteme zu überführen, könnte das die Elektromobilität und Energiespeicherung grundlegend verändern. Die Vision einer Batterie, die sicher, leistungsfähig und langlebig zugleich ist, wird damit greifbarer denn je.  (mr)

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