Eine Kombination mikroskopischer Verfahren rückt leistungsfähigere Batteriematerialien in greifbare Nähe. Das zeigt eine mittelhessische Forschungsgruppe in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“.
Das Team konnte aufzeigen, wie die Verbindung „Lithium-Nickel-Oxid“ aufgebaut ist. Das ist eine Voraussetzung dafür, das Material erfolgreich in Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen.
Umweltschonende Technologien erfordern leistungsfähige Batterien. Lithium-Ionen-Batterien haben sich seit Anfang der 90er Jahre als führende Technologie für die Speicherung elektrochemischer Energie durchgesetzt. Ihre Herstellung ließe sich verbilligen, wenn man das preiswerte Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2) für die Kathode – den Pluspol – verwenden könnte.
„Das Material erleidet jedoch beim Laden und Entladen Schaden wegen des hohen Nickelgehalts, vor allem an der Oberfläche“, erklärte der Gießener Chemiker Prof. Dr. Jürgen Janek. Er ist einer der Leitautoren der aktuellen Veröffentlichung. „Dies behindert den kommerziellen Einsatz von Lithium-Nickel-Oxid seit langer Zeit.“
Worauf diese Materialumwandlung beruht, ist in den mechanistischen Details bisher unklar, denn „es gab bisher keine experimentelle Methode, um die Anordnung aller einzelnen Atome in Lithium-Nickel-Oxid sichtbar zu machen“, wie die Marburger Physikerin Prof. Dr. Kerstin Volz erläutert, die Seniorautorin der Studie. „Insbesondere fehlen experimentelle Ergebnisse an Materialien, wie sie tatsächlich in einer Batterie verwendet werden könnten.“
Um diese Forschungslücke zu füllen, taten sich die Arbeitsgruppen von Volz und Janek zusammen. Das Team nutzte eine Kombination mehrerer Verfahren der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM).
Mit diesem Ansatz ist es der Gruppe gelungen, die Anordnung der Elemente Atom für Atom abzubilden. „Wir sind überzeugt, dass unsere Resultate helfen, neue Materialien mit verbesserter Stabilität zu entwickeln“, schrieb das Autorenteam.
Volz lehrt Physik an der Philipps-Universität. Sie leitet das „Wissenschaftliche Zentrum für Materialwissenschaften“, ist Sprecherin des Graduiertenkollegs „Funktionalisierung von Halbleitern“ (GRK 1782) und stellvertretende Sprecherin des Sonderforschungsbereichs „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (SFB 1083) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).
Janek ist Professor für Physikalische Chemie an der Justus-Liebig-Universität Gießen, Geschäftsführender Direktor des Gießener „Zentrums für Materialforschung“ undwissenschaftlicher Leiter des BASF/KIT-Gemeinschaftslabors „BELLA“, das ebenfalls an der Studie beteiligt ist. Zudem ist er Koordinator des Kompetenzclusters „Festbatt“, der vom Bundesforschungsministerium finanziert wird.
Materialforschung gehört zu den Forschungsschwerpunkten des Forschungscampus Mittelhessen (FCMH). Der FCMH ist eine hochschulübergreifende Einrichtung der Justus-Liebig-Universität Gießen, der Philipps-Universität Marburg und der Technischen Hochschule Mittelhessen, deren Aufgabe in der Stärkung der regionalen Verbundbildung in der Forschung, Nachwuchsförderung und Forschungsinfrastruktur liegt.
* pm: Philipps-Universität Marburg