Festkörperbatterien gelten als wichtige Zukunftstechnologie: Sie können mehr Energie speichern und bestehen nicht aus feuergefährlichen Materialien wie die derzeit üblichen Lithium-Batterien. Forschende der TUM und der TUMint.Energy Research GmbH haben nun einen wichtigen Schritt bei der Verbesserung von Festkörperbatterien gemacht. Sie entwickelten ein neues Material aus Lithium, Antimon und Scandium, das Lithiumionen über 30% schneller leitet als alle bisher bekannten Stoffe.
Das Team um Prof. Thomas F. Fässler vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien ersetzte einen Teil des Lithiums in der Verbindung Lithium-Antimonid durch das Metall Scandium. Dadurch entstehen gezielt Lücken, sogenannte Leerstellen, im Kristallgitter des Leitermaterials. Diese Lücken helfen den Lithiumionen, sich leichter und schneller zu bewegen und ermöglichten den neuen Weltrekord.
Da der Wert so deutlich über denen der bekannten Materialien liegt, haben sie sich an den Lehrstuhl für Technische Elektrochemie um Prof. Hubert Gasteiger der TUM gewandt, um das Ergebnis abzusichern. Koautor Tobias Kutsch, der die weiteren Tests durchführte bemerkte: „Weil das Material auch Strom leitet, war das eine besondere Herausforderung und wir mussten unsere Messmethoden dafür anpassen.“
Fässler sieht große Potentiale für das neue Material: „Unser Ergebnis stellt derzeit einen wesentlichen Fortschritt in der Grundlagenforschung dar. Mit dem Einbau von kleinen Mengen Scandium sind wir auf ein neues Prinzip gestoßen, das sich als richtungsweisend für andere Elementkombinationen erweisen könnte. Für eine Anwendung in einer Batteriezelle sind noch viele Tests notwendig. Wir sind zuversichtlich, weil Materialien, die sowohl Ionen als auch Elektronen leiten können, sich besonders gut als Zusatz in Elektroden eignen. Da sich daraus vielversprechende praktische Anwendungen ergeben können, haben wir unsere Entwicklung auch bereits zum Patent angemeldet.“ Neben der höheren Geschwindigkeit bietet das Material auch thermische Stabilität und ist mit bewährten chemischen Verfahren einfach herzustellen.
Die Forschenden haben mit ihrer Arbeit sogar eine völlig neue Substanzklasse entdeckt, wie Erstautorin Jingwen Jiang, Forscherin an der TUMint.Energy Research GmbH, hervorhebt: „Unsere Kombination besteht aus Lithium-Antimon und kann einfach auch auf Lithium-Phosphor übertragen werden. Während der bisherige Rekordhalter auf Lithium-Schwefel basierte und zur Optimierung fünf weitere Elemente benötigt, wird bei uns lediglich Scandium als weitere Komponente gebraucht. Wir gehen davon aus, dass unsere Entdeckung über dieses Beispiel hinaus Bedeutung für die Erhöhung der Leitfähigkeit bei anderen Substanzen haben kann.“
Publikation
Jingwen Jiang, Tobias Kutsch, Wilhelm Klein, Manuel Botta, Anatoliy Senyshyn, Robert J. Spranger, Volodymyr Baran, Leo van Wüllen, Hubert A. Gasteiger, Thomas F. Fässler: Scandium Induced Structural Disorder and Vacancy Engineering in Li3Sb – Superior Ionic Conductivity in Li3−3xScxSbv, erschienen in Advanced Energy Materials, 2025, 2500683 https://doi.org/10.1002/aenm.202500683
Weitere Informationen und Links
- Dieser Erfolg basiert auf der engen Zusammenarbeit von TUM und TUMint.Energy Research GmbH im Rahmen einer strategischen Förderung durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie.
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- Chair of Inorganic Chemistry with Focus on Novel Materials
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