Sauerstofffehlstellen in Batteriematerial schalten schnellen Ionentransport frei

Experimente von TU Graz-Forschenden zeigen: Gezielt erzeugte Defekte im Kristallgitter aktivieren einen bislang blockierten Transportweg für Lithiumionen im Batteriematerial Lithium-Titanat

Lithium-Titanat (LTO, Li₄Ti₅O₁₂) ist ein seit vielen Jahren bekanntes Batteriematerial, das im unbehandelten Zustand Lithiumionen nur schlecht leitet. Seine hohe Ionenleitfähigkeit entwickelt es erst beim Laden einer Batterie, wenn zusätzliche Lithiumionen und Elektronen in das Material eingelagert werden. Bernhard Gadermaier und Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz ist es nun gelungen, reines, das heißt nicht-lithiiertes LTO mit der ursprünglichen Zusammensetzung Li₄Ti₅O₁₂ auf ganz anderem Wege in einen deutlich besseren Ionenleiter zu verwandeln: durch bewusst erzeugte Löcher im Kristallgitter, sogenannte Sauerstofffehlstellen. Werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt, entstehen diese Leerstellen, die einen für die Ionen bisher blockierten Wanderungspfad freischalten. Wie Martin Wilkening erläutert, ist dieser Diffusionspfad im Material bereits durch die LTO-Struktur vorgeprägt, wird aber durch die Defektstruktur erst aktiviert. Die Ergebnisse der Experimentalstudie wurden im Fachjournal Science Advances veröffentlicht.

Erhitzen in sauerstoffarmer Atmosphäre

Um die Fehlstellen in LTO zu erzeugen, haben Gadermaier und Wilkening das Lithium-Titanat in einer sauerstoffarmen Atmosphäre auf 300 °C erhitzt. Durch dieses schonende Erhitzen werden Martin Wilkening zufolge einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt: Die entstehenden anionischen Leerstellen im Kristallgitter haben einen direkten Einfluss auf die Bewegungsmöglichkeiten der Lithium-Kationen und machen aus dem ursprünglich schlechten einen deutlich besseren Ionenleiter. Am Beispiel LTO zeigt sich der enorme Einfluss von atomaren Defektstrukturen auf die makroskopische Funktion eines Materials besonders deutlich.

Aufwendiger experimenteller Nachweis

Die schnelle Ionenleitung konnten die Forschenden durch die Kombination von Leitfähigkeitsspektroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) experimentell nachweisen. Den direkten experimentellen Nachweis des neu aktivierten atomaren Diffusionspfads lieferten dabei die NMR-Messungen. Unsere Experimentalstudie zeigt eindrucksvoll, dass die Eigenschaften eines Festkörpers nicht allein durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt werden, sondern in entscheidendem Maß auch durch seine lokale Defektstruktur und thermische Vorgeschichte, erläutert Martin Wilkening. Damit konnte gezeigt werden, wie sich mit den klassischen Konzepten der anionischen Defektchemie die Beweglichkeit kleiner Lithium-Kationen gezielt steuern lässt.

Grundlagenforschung als Motor neuer Materialfunktionen

Die Arbeit ist nach Ansicht von z Martin Wilkening ugleich ein Paradebeispiel dafür, wie zweckfreie Grundlagenforschung neue Materialfunktionen hervorbringt. Die gezielte Steuerung der Ionenleitfähigkeit durch Defektchemie eröffnet langfristig Perspektiven für ionotronische, memristive und neuromorphe Bauelemente in der Mikro- und Nanoelektronik.

Publikation

Bernhard Gadermaier, H. Martin R. Wilkening: Unlocking Dormant Li⁺ Pathways Drives Fast Ion Transport in Li4Ti5O12 Oxide Spinels; Science Advances, 2026; DOI: 10.1126/sciadv.aef5575

Kontakt:

Univ.-Prof. Dr.rer.nat. H. Martin R. WILKENING, TU Graz, Institut für Chemische Technologie von Materialien; E-Mail: wilkening@tugraz.at