Fehler im Material erwünscht: So werden Lithium-Ionen schneller

Manchmal liegt der Fortschritt nicht darin, einem Material etwas hinzuzufügen, sondern ihm gezielt etwas zu nehmen. Im Fall von Lithium-Titanat genügt offenbar der kontrollierte Entzug einzelner Sauerstoffatome, um einen bislang blockierten Transportweg für Lithium-Ionen zu öffnen. Was im Kristallgitter wie eine Leerstelle aussieht, wird damit zu einem funktionalen Schalter: Aus einem Material, das im unbehandelten Zustand Lithium-Ionen nur schlecht leitet, wird ein deutlich besserer Ionenleiter.

Lithium-Titanat (LTO) gilt als stabiles Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, leitet Lithium-Ionen im Ausgangszustand jedoch nur schwach. Forschende der TU Graz haben nun gezeigt, dass sich die Ionenbeweglichkeit auch ohne zusätzliche Lithiation erhöhen lässt. Entscheidend sind gezielt erzeugte Sauerstofffehlstellen im Kristallgitter.

Wie die Forschenden vorgingen

Bernhard Gadermaier und Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien behandelten nicht lithiiertes Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) bei 300 °C im Vakuum. Dabei werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt. Die entstehenden anionischen Leerstellen verändern die lokale Defektstruktur und machen einen Diffusionspfad für Lithium-Ionen zugänglich, der im unbehandelten Material blockiert ist.

Lithium-Titanat entwickelt eine deutlich höhere Ionenleitfähigkeit normalerweise erst während der Lithiation: Zusätzliche Lithium-Ionen und Elektronen werden in das Material eingelagert. Die Grazer Arbeit beschreibt einen anderen Mechanismus. Der Lithiumgehalt bleibt unverändert; stattdessen verändert die Wärmebehandlung die Defektchemie des Batteriematerials.

Sauerstofffehlstellen erhöhen die Ionenbeweglichkeit

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Ionenleitfähigkeit eines Festkörpers nicht nur über seine chemische Zusammensetzung beeinflussen lässt. Auch lokale Fehlstellen und die thermische Behandlung bestimmen, wie leicht sich Lithium-Ionen durch die Kristallstruktur bewegen können.

Nach Angaben der Forschenden ist der betreffende Diffusionspfad in der Spinellstruktur von Lithium-Titanat grundsätzlich vorhanden. Erst die Sauerstofffehlstellen verändern die lokalen Bedingungen jedoch so, dass Lithium-Ionen diesen Weg für den Ferntransport nutzen können. Defekte wirken damit nicht nur als Störstellen im Kristall, sondern lassen sich gezielt einsetzen, um die Transporteigenschaften eines Materials zu verändern.

NMR und Leitfähigkeitsmessungen weisen Transportweg nach

Den Effekt untersuchten Gadermaier und Wilkening mit mehreren Messverfahren. Impedanz- beziehungsweise Leitfähigkeitsspektroskopie erfasste die makroskopische Ionenleitung. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) lieferte Informationen über die Bewegung der Lithium-Ionen auf atomarer Ebene; ergänzend kam Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) zum Einsatz.

Die Messungen stützen die Interpretation, dass die erzeugten Sauerstofffehlstellen einen zuvor blockierten Transportweg aktivieren. Damit liefert die Arbeit ein Beispiel dafür, wie sich die Eigenschaften von Batteriematerialien über ihre Defektstruktur gezielt verändern lassen.

Defektchemie als Werkzeug für Batteriematerialien

Die Arbeit ist Grundlagenforschung und beschreibt nicht unmittelbar eine neue Batterietechnologie. Sie liefert jedoch einen Ansatz für das gezielte Design ionenleitender Festkörper: Statt ausschließlich neue chemische Zusammensetzungen zu entwickeln, könnten sich vorhandene Materialien auch über ihre Defektstruktur funktional optimieren lassen.

Die Ergebnisse sind in Science Advances veröffentlicht. Über Lithium-Titanat hinaus verweist Wilkening auf mögliche Anwendungen in ionotronischen, memristiven und neuromorphen Bauelementen. In solchen Systemen beeinflusst die Bewegung von Ionen elektrische Zustände und Schaltvorgänge.