Schnelle Wege für Lithiumionen

Liverpool (Großbritannien) - In Lithiumionen-Batterien wandern – wie der Name schon sagt – positiv geladene Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden – Anode und Kathode – hin und her. Heute befinden sich fast ausschließlich flüssige Elektrolyten in den Batterien, die eine hohe Leitfähigkeit für die Lithiumionen bieten. Doch feste Elektrolyten böten durchaus Vorteile. Sie könnten die Brandgefahr der Stromspeicher reduzieren und zugleich höhere Energiedichten bei besserer Haltbarkeit ermöglichen. Allein die Beweglichkeit der Lithiumionen ist in festen Elektrolyten bisher deutlich geringer als in flüssigen. Eine Lösung fanden nun britische Materialforscher – unterstützt mit Methoden der künstlichen Intelligenz – einen festen Elektrolyten, durch den sich Lithiumionen verblüffend gut bewegen konnten.

In festen Elektrolyten bilden eine Vielzahl von Elementen wie Lithium, Phosphor, Schwefel oder Iod ein mehr oder weniger komplexes Kristallgitter. Von der Struktur dieser Gitter hängt es ab, ob Lithiumionen leicht einen Weg durch den Kristall finden oder eher gehindert werden. Das Team um Matt Rosseinsky von der University of Liverpool sammelte nun das verfügbare Wissen über besonders leitfähige Kristallstrukturen und trainierte damit einen Computeralgorithmus. Diese künstliche Intelligenz kann mögliche Kristallstrukturen und Materialmischungen sehr viel schneller bewerten als Menschen mit langwierigen Synthesen und darauf folgenden Laborversuchen. „Unser disruptive Design-Ansatz eröffnet einen neuen Weg, um Hochleistungsmaterialien mit schneller Beweglichkeit der Ionen zu entdecken“, sagt Rosseinsky. Eine gute Ionen-Mobilität bildet die Grundlage für ein effizientes Laden und Entladen des Stromspeichers.

Diese Methode lieferte den Forschenden eine Kristallstruktur, die viele verschiedene Pfade für die Wanderung von Lithiumionen aufwies. In dem vorgeschlagenen Kristall ordnen sich – vorerst nur in der Simulation – die Atome der Elemente Lithium, Silizium, Schwefel und Iod abwechselnd in einer kubischen und in einer hexagonalen Struktur an. Darauf entwickelten die Forschenden einen Syntheseweg, um diese speziellen Kristalle auch herzustellen. Unterschiedliche Ausgangsmaterialien wie Siliziumsulfid, Lithiumsulfid und Lithiumiodid wurden in einer genau abgestimmten Mischung über vier Tage auf bis zu 450 Grad Celsius aufgeheizt. Dabei entstand ein kristallines Pulver der gewünschten Zusammensetzung mit der chemischen Formel Li7Si2S7I.

In ersten Versuchen überprüften die Forschenden die Eigenschaften dieses festen Elektrolytens. Tatsächlich zeigte er bei Raumtemperatur eine verblüffend hohe Beweglichkeit für Lithiumionen in Höhe von 0,01 Siemens pro Quadratzentimeter. Dieser Wert liegt im gleichen Bereich wie bei derzeit genutzten flüssigen Elektrolyten. Auf dieser Basis könnten nun haltbare und leistungsfähige Lithiumionen-Batterien mit festen Elektrolyten entwickelt werden. Rosseinsky hält es für möglich, mit dieser Strategie noch weitere feste Elektrolytmaterialien zu entdecken, die nicht nur sicher betrieben werden sondern auch höhere Energiedichten bieten könnten als bisher verfügbare Lithiumionen-Batterien.