Superleiter, super preiswert

Prof. Dr. Stefanie Dehnen, Diplomchemiker Philipp Bron (Mitte) und Prof. Dr. Bernhard Roling / Bildquelle: Dr. Bernhard Huber/Philipps-Universität Marburg

Umweltschutz dank „zinn-voller“ Technik: Chemikerinnen und Chemiker aus Marburg, Siegen und Rheinstetten haben einen finanziell erschwinglichen, festen Super-Ionenleiter für Lithiumbatterien entwickelt. Das neuartige Material hat eine fast ebenso gute Leitfähigkeit wie der bisherige Rekordhalter, sollte aber wesentlich preisgünstiger herzustellen sein.

Ob Elektroautos oder Strom aus Wind und Sonne – umweltschonende Technologien erfordern Energiespeicherung durch leistungsfähige Batterien. Moderne Lithiumbatterien verwenden zumeist Flüssigelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit, das heißt, geladene Teilchen werden in einer Trägerflüssigkeit schnell vom einen Batteriepol zum anderen transportiert. Überhitzung der Elektrolyte kann jedoch zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen, bis hin zum Entflammen der Batterie. Insbesondere für die Anwendung in Automobilen wären deshalb nicht-entflammbare Elektrolyte von großem Vorteil.

Eine wichtige Klasse solcher Materialien sind feste Elektrolyte, die nicht nur sicherheitstechnische Vorteile bieten, sondern auch ein platzsparendes Batteriedesign erlauben. Viele feste Lithiumelektrolyte weisen jedoch eine deutlich niedrigere Leitfähigkeit auf als Flüssigelektrolyte. Zwar stellte eine japanische Arbeitsgruppe vor zwei Jahren einen festen Lithiumionenleiter vor, dessen Ionenleitfähigkeit sogar höher ist als diejenige der bisher gebräuchlichen flüssigen Alkylkarbonate. Der Nachteil: Die Verbindung enthält das Halbmetall Germanium, und Germanium ist ein knapper und teurer Rohstoff.

Das Team um Chemieprofessorin Dr. Stefanie Dehnen von der Philipps-Universität, Mitautorin der aktuellen Studie, und Professor Dr. Bernhard Roling hat eine kostengünstige Alternative gefunden. Auf der Suche nach einer preiswerteren Möglichkeit gelang es ihnen, Germanium durch Zinn zu ersetzen.

Die Lithiumionenleitfähigkeit der neuartigen Verbindung entspricht in etwa derjenigen der üblichen Elektrolyte auf Alkylkarbonatbasis. Die Ergebnisse der Experimente, mit denen die Wissenschaftler die elektrochemischen Eigenschaften der Verbindung testeten, zeigten, dass die hohe Leitfähigkeit das Material zu einem attraktiven Kandidaten für die Verwendung in Festkörperbatterien macht. Dr. Dehnen hebt deren ökonomischen Vorzug hervor: Stellt man die gegenwärtigen Rohstoffpreise in Rechnung, so sollte die Produktion nur etwa ein Drittel dessen kosten, was die Verwendung von Germanium verschlingt.

Dr. Dehnen lehrt an der Philipps-Universität Anorganische Chemie, Dr. Roling Physikalische Chemie. Neben den Marburger Arbeitsgruppen waren an der Studie Wissenschaftler der Universität Siegen sowie das Unternehmen Bruker Biospin aus Rheinstetten beteiligt. Das Bundesforschungsministerium förderte die Forschungsarbeiten finanziell im Rahmen des Projekts Konzeptstudien für neuartige Lithiumionenzellen auf der Basis von Werkstoffinnovationen.

Originalveröffentlichung: Philipp Bron & al.: Li₁₀SnP₂S₁₂: An Affordable Lithium Superionic Conductor, Journal of the American Chemical Society 135 (42)/2013, pp. 15694–15697, DOI: 10.1021/ja407393y

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