Japanische Universität Nagoya erreicht mit Fluoroxid-Elektrolyt eine Rekord-Ionenleitfähigkeit von 16,3 mS/cm

de.wedoany.com-Bericht: Das Team um außerordentlichen Professor Takeshi Yajima am Institut für Materialdesign und Innovationsingenieurwesen der Universität Nagoya, Japan, hat den Mechanismus der hohen Leitfähigkeit des Fluoroxid-Festelektrolyten LLNOF aufgeklärt. Durch die Veränderung des Verhältnisses von Lithium, Lanthan und Leerstellen im Material erreichte die Volumen-Lithiumionenleitfähigkeit 16,3 Millisiemens pro Zentimeter – der höchste jemals gemessene Wert für einen oxidbasierten Festelektrolyten.

Beim Check-in werden Passagiere stets aufgefordert zu bestätigen, dass sich keine tragbaren Ladegeräte oder Powerbanks im aufgegebenen Gepäck befinden. Der Grund: Die in solchen Geräten verwendeten Lithium-Ionen-Batterien transportieren Lithiumionen zwischen den Elektroden über einen leicht entzündlichen Flüssigelektrolyten. Wird die Batterie beschädigt, kann der Flüssigelektrolyt Brände auslösen. Die Substitution des Flüssigelektrolyten durch einen Festelektrolyten ist ein Forschungsansatz zur Verringerung dieses Risikos. Die Herausforderung liegt in der Erhöhung der Ionenleitfähigkeit, also der Leichtigkeit, mit der sich Lithiumionen durch den Festelektrolyten bewegen.

Einige derzeit verfügbare Festelektrolyte mit hoher Leitfähigkeit basieren auf Sulfid- oder Chloridmaterialien. Ihre Leitfähigkeit resultiert aus der Verformung der Elektronenwolke um die Anionen, wenn Lithiumionen das Material durchqueren. Diese Materialien setzen jedoch bei Kontakt mit Feuchtigkeit giftige Gase wie Schwefelwasserstoff oder Chlorwasserstoff frei. Oxide und Fluoroxide sind dagegen robuster und weisen als Elektrolyte eine höhere elektrochemische Stabilität auf; sie können die wiederholten Spannungsschwankungen während Lade- und Entladezyklen verkraften, haben aber in der Regel eine geringere Leitfähigkeit. Yajima fasste diesen Widerspruch einst so zusammen: Fluoroxide sind sicherer, aber schlecht leitfähig; Sulfide leiten gut, sind aber gefährlich.

Im Jahr 2024 wurde ein Fluoroxid-Kristall mit der chemischen Formel Li₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F (kurz LLNOF) entdeckt, dessen Leitfähigkeit von 7 Millisiemens pro Zentimeter mit Flüssigelektrolyten vergleichbar ist. Dieses Ergebnis ließ sich damals mit bekannten Mechanismen nicht erklären: Die Elektronenwolke um das zentrale Fluoridion in LLNOF ist nicht so leicht verformbar wie bei Sulfiden oder Chloriden. Das Team um Yajima züchtete anschließend eigenständig hochwertige LLNOF-Einkristalle. Dieser Schritt habe mehr als ein Jahr in Anspruch genommen, so Yajima, da die Kristallqualität für die Strukturanalyse ausreichend hoch sein müsse.

Das Team verwendete das Bridgman-Verfahren zur Züchtung von LLNOF-Einkristallen im Millimeterbereich und bestimmte mithilfe der Einkristallbeugung die lokale Anordnung und Umlagerung der Atome in der Elementarzelle. Die Ergebnisse zeigten, dass um das zentrale Fluoridion vier Atompositionen in tetraedrischer Anordnung existieren, die jeweils ein Lithiumion, ein Lanthanatom oder eine Leerstelle aufnehmen können. Springt ein Lithiumion in eine benachbarte Leerstelle, wandert das zentrale Fluoridion leicht in Richtung der ursprünglichen Position des Lithiumions – eine Art „Ausweichbewegung“, die die Energiebarriere für den Sprung des Lithiumions senkt. Im Vergleich zu Fluoroxiden mit starrer Gerüststruktur verleiht dieser dynamische Mechanismus LLNOF eine höhere Lithiumionenleitfähigkeit.

Anschließend optimierten die Forscher die Zusammensetzung, indem sie das relative Verhältnis von Lithium, Lanthan und Leerstellen in LLNOF (also den Wert x in der chemischen Formel) variierten. Sie stellten fest, dass kleinere x-Werte zu höherer Leitfähigkeit führen, und erreichten schließlich eine Volumen-Lithiumionenleitfähigkeit von 16,3 Millisiemens pro Zentimeter. Dieses Ergebnis wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht. Yajima ist der Ansicht, dass dieser Mechanismus, der nicht auf stark polarisierbaren Ionen beruht, zur Entwicklung effizienterer oxidbasierter Festelektrolyte genutzt werden könnte. Der Mechanismus stellt zudem die bisherige allgemeine Annahme in Frage, dass sulfidbasierte Materialien aufgrund ihrer Anioneneigenschaften die besseren Leiter seien. Das Forschungsteam erklärte, dass dieses Ergebnis Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien einen Schritt näher an die praktische Anwendung bringt.