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Lithium-Titanat (LTO, Li4Ti5O12) bietet als Anodenmaterial bei Akkus Vorteile bei Lebensdauer, Sicherheit und Schnellladefähigkeit. In seinem ursprünglichen Zustand leitet das Batteriematerial Lithium-Ionen allerdings nur schlecht. Eine höhere Ionenleitfähigkeit - und somit schnelles Laden und Entladen und höhere Leistungsfähigkeit - entwickelt es erst beim Laden der Batterie - wenn sich zusätzliche Lithium-Ionen und Elektronen in das Material einlagern.
Wie sich die geladenen Atome - die Ionen - durch Batteriematerialien bewegen und wie deren Beweglichkeit mit der atomaren Anordnung des Materials zusammenhängt, hat Bernhard Gadermaier von der TU Graz mit verschiedenen experimentellen Techniken und Methoden im Visier. Denn wenn man weiß, wie das abläuft, kann man das Material auch besser kontrollieren, man kann es optimieren und besser nutzen. Etwa um die Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Effizienz von Batterien zu steigern.
Bernhard Gadermaier und Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz ist es nun gelungen, LTO mit der ursprünglichen Zusammensetzung Li4Ti5O12 auf neuem Weg in einen deutlich besseren Ionenleiter zu verwandeln: durch bewusst erzeugte Löcher oder Vakanzen - wie es Wissenschafter auch nennen - im Kristallgitter des Materials. Dabei handelt es sich um Sauerstoff-Fehlstellen. Diese entstehen, wenn einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt werden.
Die Fehlstellen machen den Weg für einen für die Ionen bis dahin blockierten Wanderungspfad frei. "Dieser Diffusionspfad ist im Material bereits durch die LTO-Struktur vorgeprägt, wird aber durch die Defektstruktur erst aktiviert", erläuterte Wilkening die jüngsten Erkenntnisse. Der Grazer Professor für Festkörperchemie moderner Energiespeichersysteme hat gemeinsam mit Bernhard Gadermaier die Ergebnisse ihrer Experimente in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals "Science Advances" öffentlich gemacht.
Das Grazer Forscherteam hat das Lithium-Titanat in einer sauerstoffarmen Atmosphäre auf 300 Grad Celsius erhitzt, um die Fehlstellen zu erzeugen. "Durch dieses schonende Erhitzen werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt", schilderte Wilkening. "Die entstehenden anionischen Leerstellen im Kristallgitter haben einen direkten Einfluss auf die Bewegungsmöglichkeiten der Lithium-Kationen und machen aus dem ursprünglich schlechten einen deutlich besseren Ionenleiter", wie der Grazer Batterienforscher erklärte. Hier zeige sich, "dass die Eigenschaften eines Festkörpers nicht allein durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt werden, sondern in entscheidendem Maß auch durch seine lokale Defektstruktur und thermische Vorgeschichte", wie Wilkening hervorhob.
Das Team hat eine große Bandbreite an experimentellen Techniken und Methoden, um gezielt die Bewegung und Beweglichkeit von Ionen in Festkörpern zu untersuchen. Die schnelle Ionenleitung haben die Forschenden durch die Kombination von Leitfähigkeitsspektroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) experimentell nachgewiesen. Besonders die NMR-Messungen lieferten den direkten experimentellen Nachweis des neu aktivierten atomaren Diffusionspfads. Aus Sicht der Grazer Forschenden könnten die jüngsten Erkenntnisse der bewussten Veränderung der atomaren Struktur durch Einbringung von gezielten Defekten auch neue Perspektiven in der Mikro- und Nanoelektronik eröffnen.
(S E R V I C E - B. Gadermaier, H. Martin R. Wilkening: "Unlocking Dormant Li+ Pathways Drives Fast Ion Transport in Li4Ti5O12 Oxide Spinels", In: Science Advances, 2026, DOI: 10.1126/sciadv.aef5575)
An empoyee of Toshiba displays a new Lithium-ion battery "SCiB" (Super Charge ion Battery), which can recharge to 90 percent of full capacity in less than five minutes, at the company's headquarters in Tokyo 11 December 2007. The SCiB, 24V module and 2.4V cell, is developed for industrial use such as battery powered motorcycles, electric vehicles and electric forklift with a long life cycle of over 5,000 charges. AFP PHOTO / Yoshikazu TSUNO (Photo by AFP)
