Kristalldefekt mit Potenzial: Positronen analysieren Batteriematerialien

Im „Defect Engineering“ erzeugt man gezielt Fehlstellen im Atomgitter, um Materialeigenschaften zu verändern. Ein interdisziplinäres Forschungsteam hat an der Positronenquelle NEPOMUC am FRM II Kristalldefekte nachgewiesen, die Batterien effizienter machen.

Dr. Thomas Gigl (l.) und Dr. Stefan Seidlmayer an der Positronenquelle NEPOMUC. © Wenzel Schürmann / TUM

Das Problem: schnell abfallende Spannung

Ein vielversprechendes Anodenmaterial für Batterien ist Lithiumtitanat (Li4Ti5O12, LTO). Es bietet eine lange Lebensdauer bei herausragender thermischer Stabilität, verliert allerdings rasch Kapazität und Spannung. Ziel des Forschungsteams um Dr. Yu-Te Chan und Dr. Cristina Grosu von der Technischen Universität München (TUM) war es daher, LTO noch besser zu verstehen – konkret durch eine Gasbehandlung, die die Zusammensetzung des Materials verändert. Dabei werden Sauerstoffatome entfernt, wodurch Leerstellen im Atomgitter entstehen. Das behandelte LTO weist eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit auf, aber: „Das Problem ist, dass bisher niemand wirklich verstand, warum dies auf atomarer Ebene passiert“, verrät Yu-Te Chan, Postdoctoral Fellow am Lehrstuhl für Theoretische Chemie der TUM.

20140319 Lithiumionenzellen AH 68456 Titelbild 4zu3-beschneiden Akkuzellen sollen noch langlebiger und schneller aufladbar werden. © Andreas Heddergott / TUM

Akkuzellen sollen noch langlebiger und schneller aufladbar werden. © Andreas Heddergott / TUM

Positronen zeigen Defekte

Mithilfe der Positronen-Lebensdauerspektroskopie (PALS) und des Koinzidenten Doppler-Verbreiterungsspektrometers (CDBS) am FRM II identifizierten die Forschenden Defekte im LTO-Kristall. Konkret gelingt das durch Positronen, die mit Elektronen in der Umgebung der Sauerstoffleerstellen im Kristall zerstrahlen. „Wichtig ist die Länge der Positronen-Lebensdauer; diese ist je nach Leerstelle unterschiedlich“, so Yu-Te Chan. Je tiefer im Material die Sauerstoffleerstellen liegen, desto weiter muss der Positronenstrahl eindringen. „Daraus können wir genau ableiten, welche Fehler das Material in welcher Tiefe aufweist.“, erklärt Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt, Instrumentverantwortlicher von NEPOMUC. Mit Hilfe der beiden Forscher Dr. Thomas Gigl und Dr. Stefan Seidlmayer führte das Team die PALS und die Messungen am CDBS durch.

DSC4785 Prof-Hugenschmidt Nepomuc Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt ist Instrumentverantwortlicher des Instruments NEPOMUC. © Wenzel Schuermann / TUM

Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt ist Instrumentverantwortlicher des Instruments NEPOMUC. © Wenzel Schuermann / TUM

Erkenntnisse über Oberflächenstruktur

„Für mich war das Erstaunlichste, was wir tief im Inneren des Materials gefunden haben“, sagt Stefan Seidlmayer. Die Erwartung war, dass die Sauerstoffleerstellen die Leitfähigkeit im Kristall erhöhen. Oberflächlich trifft das auch zu. Die Forschenden fanden allerdings heraus, dass die Ursache im Volumen des Kristalls hüpfende Lithiumionen sind. Eine wichtige Erkenntnis ist außerdem der „Facetteneffekt“: Einige Oberflächenorientierungen des Kristalls leiten besser als andere. „Dies ist sehr nützlich, da es erklärt, warum LTO-Nanopartikel mit bestimmten Formen besser funktionieren“, verrät Cristina Grosu, Teamleiterin des Electric Vehicle Lab vom Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik der TUM.

Die neuen Erkenntnisse stimmen das Team zuversichtlich: „Jetzt können auch andere Forschende denselben Ansatz nutzen“, freut sich Yu-Te Chan, „und das könnte helfen, die nächste Generation von sicheren Batterien zu entwickeln.“