Aktuell gängige Lithium-Ionen-Akkumulatoren funktionieren unter Verwendung eines flüssigen Elektrolyten. Um jedoch kompaktere und leichtere Bauformen bei zugleich verminderter Brandgefahr zu ermöglichen, gelangen Feststoffbatterien mehr und mehr in den Fokus der Forschung. Die derzeitigen Langzeittests von Feststoffbatterien namhafter Unternehmen im Automobilbereich sind vielversprechend und erreichen bis zu 1.000 Ladezyklen, was einer Gesamtreichweite von 500.000 km entspricht. Sowohl während der Zellproduktion, als auch beim Be- und Entladen sind die verwendeten Materialien Volumenänderungen und damit auch hohen Druckschwankungen ausgesetzt.
Stefan Schwarzmüller und Hubert Huppertz von der Universität Innsbruck haben nun an einer Studie der Universität Münster mitgewirkt, die den Einfluss von Druck auf die Ionenleitfähigkeit von Festkörperelektrolyten untersucht hat. Dabei wurde die Verbindung Li6PS5Br (ein Li+-leitender Argyrodit) als Modelsubstanz gewählt. Vasiliki Faka aus der Arbeitsgruppe von Wolfgang Zeier in Münster hatte die Verbindung synthetisiert und bei druckabhängigen Messungen bis 1,5 Gigapascal (= 15.000 bar) eine Verbesserung der Ionenleitfähigkeit festgestellt. Diese verbesserte Ionenleitfähigkeit konnte mit einer zunehmenden Störung der Regelmäßigkeit der Kristallstruktur (= zunehmende Versetzungsdichten) korreliert werden.
Aber geht da noch mehr? – Diese Frage stellten sich die Forscher:innen aus Münster und kontaktierten folgend Stefan Schwarzmüller und Hubert Huppertz in Innsbruck, die mit Hilfe einer 1.000-Tonnen Vielstempelpresse deutlich höhere Drücke erreichen können. Und tatsächlich konnte bei Proben, die mit einem Druck von 10 Gigapascal behandelt wurden, signifikant größere Versetzungsdichten beobachtet werden. Im Gegensatz zum Ausgangsmaterial bei Normaldruck konnte die Ionenleitfähigkeit bei den mit extremem Druck behandelten Proben überraschenderweise mehr als verdoppelt werden. Dies ist umso erstaunlicher, als dass die Wissenschaftler:innen bei Anwendung von Druck eigentlich eine Einschränkung der Ionenbeweglichkeit in einem Festkörper erwartet hatten. Während die Aktivierungsenergie unverändert bleibt, scheint sich der Bewegungsmechanismus zu verändern, da die Versetzungskerne vermutlich einen neuen Pfad für die Ionenbeweglichkeit ermöglichen.
Diese Arbeit stellt den ersten experimentellen Beleg dafür dar, wie Versetzungsdichten in Li+-leitenden Argyroditen durch externen Druck eingebracht werden können und eröffnet neue Routen, um damit den Ionentransport zu optimieren.
Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Publikation: V. Faka, M. T. Agne, M. A. Lange, D. Daisenberger, B. Wankmiller, S. Schwarzmüller, H. Huppertz, O. Maus, B. Helm, T. Böger, J. Hartel, J. M. Gerdes, J. J. Molaison, G. Kieslich, M. R. Hansen, W. G. Zeier: Pressure-Induced Dislocations and Their Influence on Ionic Transport in Li+-Conducting Argyrodites. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 1710-1721. DOI: 10.1021/jacs.3c12323