Ein Ingenieurteam der UC San Diego hat eine neuartige Designstrategie für Metalllegierungsanoden entwickelt und damit einen Durchbruch für die Leistungsfähigkeit von Festkörperbatterien erzielt. Diese Strategie konzentriert sich auf Lithium-Aluminium-Legierungsanodenmaterialien und untersucht die Migrationsmuster von Lithiumionen in der lithiumreichen „β“-Phase und der lithiumarmen „α“-Phase sowie den spezifischen Einfluss dieser Phasen auf die Batterieleistung.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten gelang es dem Team, die Verteilung der β-Phase in der Legierung durch präzise Anpassung des Lithium-Aluminium-Verhältnisses gezielt zu steuern. Eine Erhöhung des β-Phasenanteils verbesserte die Lithiumionenbewegung signifikant, da die β-Phase einen Hochgeschwindigkeitskanal für die Lithiumionendiffusion bildete, dessen Diffusionsrate deutlich höher war als die der α-Phase. Gleichzeitig förderte die β-Phase die Ausbildung einer kompakteren und stabileren Elektrodenstruktur und optimierte so die Lithiumionendiffusionskanäle zwischen Elektrode und Festelektrolyt.

Testergebnisse zeigen, dass Batterien mit β-Phasen-Lithium-Aluminium-Legierungselektroden deutlich verbesserte Lade- und Entladeraten aufweisen und nach 2000 Zyklen eine stabile Kapazität beibehalten. Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Forschung an Lithium-Aluminium-Legierungsanodenmaterialien dar.

Die Forscher betonen, dass dies die erste Studie ist, die den Zusammenhang zwischen der β-Phasenverteilung und dem Lithiumdiffusionsverhalten in Lithium-Aluminium-Legierungen eindeutig nachweist. Die Ergebnisse liefern wichtige Anhaltspunkte für die zukünftige Entwicklung von Elektroden auf Legierungsbasis und können potenziell umfassende Verbesserungen der Energiedichte, der Ladegeschwindigkeit und der Lebensdauer der Elektroden ermöglichen. Dadurch wird die Entwicklung praktischer, leistungsstarker Energiespeichertechnologien für Elektrofahrzeuge entscheidend vorangetrieben.

Diese Forschungsarbeit wurde von Chen Zheng und Yu-zhu Quan von der Jacobs School of Engineering an der University of California, San Diego, unter Beteiligung von Forschern der University of California, Irvine, der University of California, Santa Barbara und von LG Energy Solutions durchgeführt.

Weitere Informationen: Yuju Jeon et al., „Lithium diffusion-controlled lithium-aluminum alloy anode for all-solid-state batteries“, Nature Communications (2025).