Nieuw materiaal voor solid-state batterijen

Onderzoekers van TUM en TUMint.Energy Research hebben een materiaal ontwikkeld dat lithiumionen ruim 30 procent sneller geleidt dan de bekende materialen. Het materiaal op basis van lithium, antimoon en scandium is volgens hen een belangrijke stap om solid-state batterijen beter te maken.

De resultaten zijn gepubliceerd in Advanced Energy Materials.

Het team onder leiding van Thomas F. Fässler (leerstoel Anorganische Chemie) heeft het lithium in een lithiumantimonide-verbinding gedeeltelijk vervangen door het metaal scandium. Hierdoor ontstonden vacatures in het kristalrooster van het geleidende materiaal. Die helpen de lithiumionen om gemakkelijker en sneller te bewegen, wat resulteerde in een nieuw wereldrecord voor ionengeleidbaarheid. Behalve de snellere geleiding is het materiaal ook thermisch stabiel en kan het worden gemaakt met beproefde chemische methoden.

Patent aangevraagd

Fässler ziet een groot potentieel voor het nieuwe materiaal: “Ons resultaat betekent op dit moment een belangrijke vooruitgang in fundamenteel onderzoek. Door kleine hoeveelheden scandium toe te voegen, hebben we een nieuw principe ontdekt dat een blauwdruk zou kunnen zijn voor andere elementcombinaties. Hoewel er nog veel tests nodig zijn voordat het materiaal kan worden gebruikt in batterijcellen, zijn we optimistisch. Materialen die zowel ionen als elektronen geleiden zijn bijzonder geschikt als additieven in elektrodes. Vanwege de veelbelovende praktische toepassingen hebben we al patent aangevraagd op onze ontwikkeling.”

Nieuw klasse stoffen

De onderzoekers hebben met hun werk zelfs een geheel nieuwe klasse stoffen ontdekt, stelt eerste auteur Jingwen Jiang: “Onze combinatie bestaat uit lithium-antimoon, maar hetzelfde concept kan gemakkelijk worden toegepast op lithium-fosfor systemen. Terwijl de vorige recordhouder vertrouwde op lithium-zwavel en vijf extra elementen nodig had voor optimalisatie, hebben wij alleen scandium nodig als extra component. We denken dat onze ontdekking bredere implicaties kan hebben voor het verbeteren van de geleidbaarheid in een groot aantal andere materialen.”