Pingpong im kristallinen Tunnel

Dr. Markus Hölzel und Prof. Dr. Alois Kuhn Prof. Dr. Alois Kuhn (l.) und Dr. Markus Hölzel am Strukturpulverdiffraktometer SPODI des MLZ. © Wenzel Schürmann / TUM

Prof. Dr. Alois Kuhn (l.) und Dr. Markus Hölzel am Strukturpulverdiffraktometer SPODI des MLZ. © Wenzel Schürmann / TUM

Lithiumionenbatterien sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Die negativen Elektroden basieren typischerweise auf Graphit. Allerdings weisen sie einige Problematiken auf. Nun zeigt sich ein Elektrodenmaterial, das nicht auf Graphit basiert und diese Nachteile nicht besitzt: Natriumhexatitanat.

Natriumhexatitanat besitzt eine hohe strukturelle Stabilität und ist daher ein vielversprechendes Material für lange Lebensdauern von Batterien. Akkus mit diesen negativen Elektroden, den Anoden, können mit hoher Spannung schnell geladen werden und selbst dabei bildet sich in diesem Fall keine Lithiumschicht auf dem Anodenmaterial, deshalb ist die Gefahr von Kurzschlüssen und Explosionen sehr viel geringer. Natriumhexatitanat hat eine ganz spezielle offene Struktur, die den Lithiumionen einen Tunnel eröffnet. Dadurch ergibt sich das Potenzial der Lithiumspeicherung sowie der Mobilität der Lithiumionen während des Auf- und Entladens.

Doch wie genau funktioniert hier der Mechanismus der Lithiumspeicherung? Dazu gab es Vorstellungen, aber ein experimenteller Beweis stand aus.

Ein spanisch-deutsches Forscherteam hat sich nun mit den Eigenschaften dieses Anodenmaterials eingehend beschäftigt, um die Frage, wie sich das Lithium in dieser Struktur verhält, beantworten zu können. Dafür bemühten sie elektrochemische Verfahren, Synchrotronexperimente in der ESRF in Grenoble, Festkörper-NMR-Spektroskopie am Institut für Materialwissenschaften in Madrid und Neutronenbeugungsuntersuchungen am MLZ-Instrument SPODI mit Dr. Markus Hölzel. „Ein entscheidender Faktor bei dieser umfangreichen Untersuchung war die Neutronenbeugung, denn die hat uns erlaubt, die genauen Positionen des Lithiums zu bestimmen“, meint Projektleiter Prof. Dr. Alois Kuhn von der Universität CEU San Pablo in Madrid.

Natriumhexatitanat Die Bewegung von Lithiumionen in Natriumhexatitanat. © Alois Kuhn / CEU Madrid

Die Bewegung von Lithiumionen in Natriumhexatitanat. © Alois Kuhn / CEU Madrid

Wie funktioniert nun der Mechanismus? Ein Teil der Lithiumionen besetzt die Innenseite des Tunnels, der durch die Struktur des Natriumhexatitanat gebildet wird. Die Struktur unterscheidet dabei verschiedene Positionen für die Lithiumionen, einige sind an den Seitenwänden, andere an den Ober- oder Unterseiten des Tunnels, andere in der Mitte. Einige dieser Lithiumionen sind beweglich und erfahren in ihrer Bewegung eine Abstoßung durch verankerte Natrium- und Lithiumionen. Diese Abstoßung sorgt so dafür, dass die freien Lithiumionen wie Pingpongbälle zwischen den verankerten Ionen vorwärtsgetrieben werden.

„Das waren wirklich umfangreiche Arbeiten und die Kombination aller dieser Methoden hat uns zum Durchbruch verholfen“, freut sich Alois Kuhn. „Die hier gewählte Vorgehensweise lässt sich natürlich auch auf weitere Batteriematerialien anwenden und schafft so auch die Möglichkeit, solche Materialien zu optimieren.“ Kuhn ist als deutscher Professor an einer spanischen Universität ausgesprochen dankbar, dass er und andere Wissenschaftler Zugang zum Heinz Maier-Leibnitz Zentrum erhalten. Davon macht er regen Gebrauch, denn er wird in Kürze zu weiteren Experimenten nach Garching kommen.