Forscher der TU Graz steigern die Leitfähigkeit von Lithiumtitanat durch das Erzeugen von Löchern im Kristallgitter

Forscher an der TU Graz haben eine Methode entdeckt, um die ionische Leitfähigkeit von Lithiumtitanat erheblich zu erhöhen, was potenziell neue Möglichkeiten für Materialien der Batterieanode eröffnet. Durch gezielte Einführung von Defekten in die Kristallgitterstruktur des Materials „aktivierten“ sie einen zuvor blockierten Weg für Lithiumionen.

Neben Graphit ist Lithiumtitanat (LTO) ein weit verbreitetes Anodenmaterial in Batterien. In seinem unverarbeiteten Zustand leitet es Lithiumionen jedoch nur schlecht. Seine hohe ionische Leitfähigkeit entwickelt sich erst während des Batterieladens, wenn zusätzliche Lithiumionen und Elektronen in das Material eingebaut werden.

Forscher Bernhard Gadermaier und Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien an der TU Graz haben nun mithilfe eines völlig neuen Ansatzes es geschafft, reines („nicht-lithiiertes“) LTO mit seiner ursprünglichen Zusammensetzung Li4Ti5O12 in einen deutlich besseren ionischen Leiter umzuwandeln. Das Duo erreichte dies, indem sie absichtlich „Löcher“ im Kristallgitter schufen, die als Sauerstofflücken bekannt sind. „Wenn einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt werden, öffnen diese Lücken einen Migrationsweg für Ionen, der zuvor blockiert war. Dieser Diffusionsweg ist bereits durch die LTO-Struktur vorgegeben, wird aber nur durch die Defektkonstruktion aktiviert“, erklärt Wilkening. Die Ergebnisse der experimentellen Studie wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Zur Erzeugung der Vacanzstellen im LTO erhitzten die Forscher das Lithiumtitanat in einer sauerstoffarmen Atmosphäre auf 300 Grad Celsius. „Durch diese sanfte Erhitzung werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt“, fährt Wilkening fort. „Die dadurch entstehenden anionischen Vacanzstellen im Kristallgitter beeinflussen direkt die Mobilität der Lithiumkationen und verwandeln den ursprünglich schlechten ionischen Leiter in einen deutlich besseren. Das Beispiel des LTO zeigt eindrucksvoll den enormen Einfluss atomarer Defektkonstruktionen auf die makroskopische Funktion eines Materials.“

Komplexe experimentelle Überprüfung

Die Forscher demonstrierten experimentell die schnelle Ionenleitfähigkeit mithilfe einer Kombination aus Leitfähigkeits-Spektroskopie und Kernspinresonanz-(NMR)-Spektroskopie. Die NMR-Messungen lieferten direkte experimentelle Belege für den neu aktivierte atomare Diffusionsweg.

„Unsere experimentelle Studie zeigt eindrucksvoll, dass die Eigenschaften eines Festkörpers nicht ausschließlich durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt werden, sondern auch erheblich von seiner lokalen Defektkonstruktion sowie seiner thermischen Vorgeschichte beeinflusst werden“, fasst Martin Wilkening zusammen. „Wir zeigen, wie die Mobilität kleiner Lithiumkationen mithilfe klassischer Konzepte der anionischen Defektkunde präzise gesteuert werden kann.“

Die Arbeit dient zudem als hervorragendes Beispiel dafür, wie forschungsgetriebene Grundlagenforschung zu neuen Materialfunktionen führen kann, so die Forscher. „Die gezielte Steuerung der ionischen Leitfähigkeit durch Defektkunde eröffnet langfristige Perspektiven für ionotrope, memristive und neuromorphe Komponenten in der Mikro- und Nanoelektronik.“