Forscher der TU Graz „durchlöchern“ das Kristallgitter von Lithium-Titanat

Forschende der TU Graz haben einen Weg gefunden, die Ionen-Leitfähigkeit von Lithium-Titanat massiv zu steigern. In Experimenten konnten sie zeigen: Gezielt erzeugte Defekte im Kristallgitter "aktivieren einen bislang blockierten Transportweg für Lithium-Ionen". Noch handelt es sich aber um klassische Grundlagenforschung.

Lithium-Titanat (LTO) ist neben Graphit ein häufig genutztes Anodenmaterial für Batterien. Allerdings leitet es Lithium-Ionen in unbehandeltem Zustand nur schlecht. Seine hohe Ionen-Leitfähigkeit entwickelt es erst beim Laden einer Batterie, wenn zusätzliche Lithium-Ionen und Elektronen in das Material eingelagert werden.

Die zwei Forscher Bernhard Gadermaier und Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz ist es nun gelungen, reines („nicht-lithiiertes“) LTO mit der ursprünglichen Zusammensetzung Li4Ti5O12 auf ganz anderem Wege in einen deutlich besseren Ionenleiter zu verwandeln: Das Duo gibt an, bewusst erzeugte „Löcher“ im Kristallgitter geschaffen zu haben, sogenannte Sauerstofffehlstellen. „Werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt, entstehen diese Leerstellen, die einen für die Ionen bisher blockierten Wanderungspfad freischalten. Dieser Diffusionspfad ist im Material bereits durch die LTO-Struktur vorgeprägt, wird aber durch die Defektstruktur erst aktiviert“, erläutert Wilkening. Die Ergebnisse der Experimentalstudie wurden im Fachjournal „Science Advances“ veröffentlicht.

Um die Fehlstellen in LTO zu erzeugen, haben die Forscher das Lithium-Titanat in einer sauerstoffarmen Atmosphäre auf 300 Grad Celsius erhitzt. „Durch dieses schonende Erhitzen werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt“, fährt Wilkening fort. „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“, resümiert Martin Wilkening. „Wir zeigen, wie sich mit den klassischen Konzepten der anionischen Defektchemie die Beweglichkeit kleiner Lithium-Kationen gezielt steuern lässt.“

Die Arbeit sei zugleich ein Paradebeispiel dafür, wie zweckfreie Grundlagenforschung neue Materialfunktionen hervorbringt“, so die Forscher. Und: „Die gezielte Steuerung der Ionenleitfähigkeit durch Defektchemie eröffnet langfristig Perspektiven für ionotronische, memristive und neuromorphe Bauelemente in der Mikro- und Nanoelektronik.“