Batterien der Zukunft enthalten kein Lithium mehr

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München - In der Batterie der Zukunft werden Feststoffe die bisherigen Elektrolyt-Lösungen ersetzen. Lithiumionen-Batterien könnten damit bald schon Geschichte sein. Davon gehen Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) aus.

Lithiumionen-Batterien sind zwar noch überall im Einsatz, doch das könnte sich bald ändern. Batterien mit Feststoffen an Stelle eines flüssigen Elektrolyten sind das Ziel der Forscher. Ein Wissenschaftler-Team der Universität hat jetz eine Reihe neuer Natriumionenleiter entwickelt. Das Geheimnis des besten Materials steckt dnach in der genauen Mischung der Zutaten.

Einsatz von Lithiumionen-Batterien nicht mehr zeitgemäß
Die Tage der konventionellen Lithiumionen-Batterien sind gezählt, denn mit Feststoff-Batterien ist eine hervorragende Alternative auf den Markt gekommen, teilte die LMU mit. Ihr großer Vorteil ist der Ersatz des flüssigen Lithium-haltigen Elektrolyten durch einen Festelektrolyten. Er mindert die Brandgefahr, erspart den Einsatz eines äußeren Systems zur Temperaturregelung und ermöglicht schnelles Laden und Entladen. Um in Zukunft vermehrt Batterien ohne die kritische Ressource Lithium herstellen zu können, wurden neue Systeme mit Natrium als Ersatz entwickelt. Entscheidend für deren Erfolg ist die Leitfähigkeit, die so hoch wie möglich sein sollte.

Lithium-Ersatz reichlich und kostengünstig vorhanden
Eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Festelektrolyten spielen die Elemente Natrium, Aluminium, Silizium und Schwefel. Alle vier Stoffe sind auf der Erde in Fülle vorhanden und günstig zu haben. Und im richtigen Mischungsverhältnis können sie die Leitfähigkeit eines Festelektrolyten deutlich steigern. Die Forscher um Prof. Bettina Lotsch vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und Department Chemie der LMU haben in einer aktuellen Publikation drei neue Verbindungen beschrieben und deren elektrische Eigenschaften bestimmt. Dabei stellten sie fest, dass durch die Mischung der beiden Elemente Aluminium und Silizium mit Natrium und Schwefel im richtigen Verhältnis eine völlig neue Struktur (Na₅AlS₄SiS₄) entsteht. Im Vergleich zu Verbindungen nur mit Aluminium oder Silizium mit Natrium und Schwefel (Na₅AlS₄ und Na₄SiS₄) ist diese besonders vorteilhaft für den Ionentransport.

Hohe Leitfähigkeit der Festkörper-Elektrolyte durch richtige Mischung
Die Natriumionen besitzen im mit den anderen drei Elementen aufgespannten Netzwerk eine Umgebung, in der sie sich besonders leicht durch den Elektrolyten bewegen können. Theoretische Rechnungen mit der sogenannten Bond Valence Energy Landscapes (BVEL) Methode unterstützen diese Annahme. Durch eine Prise mehr Silizium konnten die Forscher die Menge der Ladungsträger in Form der beweglichen Natriumionen optimieren, und es entstand das von allen Verbindungen am schnellsten leitende Material: Na_8.5(AlS₄)_0.5(SiS₄)_1.5.