Systembruch: Gezieltes Chaos ermöglicht ultraschnelles Akkuladen
Gezieltes Material-Chaos macht Akkus schneller und langlebiger – Forschende entwickeln Anoden mit Systembruch.
Gezielte Unordnung auf atomarer Ebene: Forschende der Humboldt-Universität verändern die Kristallstruktur von Batteriematerialien, um schnelleres Laden und längere Lebensdauer zu ermöglichen.
Foto: PantherMedia / Artinun Prekmoung
Ein Forschungsteam der Humboldt-Universität zu Berlin hat einen Ansatz entwickelt, bei dem gezielte Unordnung in der Materialstruktur von Batterieanoden die Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer deutlich verbessert. Das Prinzip widerspricht bisherigen Designregeln – und könnte die Entwicklung neuer Energiespeicher für E-Autos und stationäre Systeme voranbringen.
Neue Wege für alte Probleme
Die Suche nach besseren Batterien dreht sich seit Jahrzehnten um dasselbe Ziel: mehr Leistung, längere Lebensdauer, höhere Sicherheit. Doch viele Konzepte bleiben an einer alten Grundregel hängen – Ordnung ist gut, Unordnung schlecht. Genau dieses Dogma hat ein Forschungsteam aus Berlin nun infrage gestellt.
Forschende rund um Prof. Dr. Nicola Pinna und Dr. Patrícia Russo am Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin zeigten, dass gezielte Unordnung in der atomaren Struktur von Batteriematerialien sogar von Vorteil sein kann. Ihr Ansatz: Sie durchbrechen bewusst die perfekte Kristallstruktur der Anodenmaterialien, um neue Wege für die Ionenbewegung zu schaffen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass gezielt eingesetzte Unvollkommenheit ein mächtiges Werkzeug im Materialdesign sein kann“, sagt Nicola Pinna. Und Patrícia Russo ergänzt: „Indem wir die atomare Ordnung bewusst durchbrechen, erschließen wir vollkommen neue Wege für leistungsstärkere, langlebigere und damit nachhaltigere Hochleistungsbatterien.“
Der Weg in die Unordnung
Im Zentrum der Arbeit standen zwei Materialsysteme: Niob-Wolfram-Oxide für Lithium-Ionen-Batterien und Eisenniobat (FeNb₂O₆) für Natrium-Ionen-Batterien. Beide wurden so modifiziert, dass sie bewusst ihre kristalline Ordnung verlieren – allerdings nicht vollständig.
Gerade diese gezielte Unordnung macht den Unterschied. Bei der Entladung verformen sich bestimmte Strukturelemente, während andere stabil bleiben. Das Material zerfällt also nicht chaotisch, sondern bildet ein geordnetes Chaos, das Ionen schneller durchlässt und mechanisch stabil bleibt.
Die Forschenden sprechen von „kontrollierter Amorphisierung“. Das bedeutet: Die Fernordnung im Kristall bricht auf, aber wichtige lokale Strukturen wie NbO₆-Ketten bleiben erhalten. Sie bilden ein stabiles Gerüst und erlauben gleichzeitig eine flexible Reaktion auf die wiederholten Lade- und Entladevorgänge.
Ein starker Kandidat für Natrium-Ionen-Akkus
Besonders vielversprechend ist Eisenniobat als Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien. Diese gelten als kostengünstige und nachhaltige Alternative zur Lithium-Technologie, weil Natrium auf der Erde weit verbreitet ist.
FeNb₂O₆ besitzt eine sogenannte Columbit-Struktur. Innerhalb dieser Struktur übernehmen Eisen- und Niobionen spezifische Rollen. Während die Eisenionen das Material bei der ersten Beladung gezielt in Unordnung bringen, sichern die Niobionen durch ihre Zickzack-Anordnung die langfristige Stabilität.
In der Praxis erreicht FeNb₂O₆ beeindruckende Werte:
- Über 300 mAh/g reversible Kapazität bei niedriger Stromdichte
- Rund 180 mAh/g bei hoher Stromdichte (2 A/g)
- 95 % Kapazitätserhalt nach 2600 Zyklen
Zusätzlich wurde das Material mit einer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet. Diese verbessert die elektrische Leitfähigkeit und schützt die Struktur zusätzlich.
Simulationen bestätigen die Hypothese
Mittels DFT-Simulationen – einer Methode zur Berechnung der elektronischen Struktur – bestätigten die Forschenden ihre Theorie: Die Natriumionen bewegen sich bevorzugt zwischen den stabilen NbO₆-Ketten. Gleichzeitig sorgen die „weicheren“ FeO₆-Strukturen für die notwendige Flexibilität im Material.
Dieses Zusammenspiel führt zu einer sogenannten Pseudokapazität – einer Mischform aus klassischer Ionenspeicherung und Oberflächenreaktionen. Das Ergebnis: schnelle Ladezeiten und hohe Energieausbeute, ohne dass die Struktur Schaden nimmt.
Lithium trifft auf kontrolliertes Chaos
Auch für Lithium-Ionen-Batterien zeigt der Ansatz Wirkung. Niob-Wolfram-Oxide mit gezielt eingebauter Unordnung erreichten eine hohe Stabilität über mehr als 1.000 Ladezyklen. Das legt den Grundstein für leistungsfähigere und langlebigere Akkus in mobilen Geräten und Elektrofahrzeugen.
Konsequenzen für Mobilität und Energiewende
Der systematische Bruch mit bisherigen Designprinzipien könnte die Batterietechnologie grundlegend verändern. Denn wenn Unordnung Ionen besser leitet als kristalline Strenge, stehen neue Materialklassen bereit.
Gerade für ultraschnell ladende E-Autos, stationäre Speicherlösungen für Solar- und Windstrom sowie langlebige Geräteakkus bietet der Ansatz Potenzial. Die Forschenden hoffen, dass der neue Designpfad weitere Anwendungen in der Energiespeicherung ermöglicht – über die klassischen Lithium-Zellen hinaus.
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