Untersuchungen ionischer Diffusionspfade in Einkristallen

Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sei es im Smartphone, im Laptop oder in Elektroautos. Um diese Energiespeicher noch sicherer und leistungsfähiger zu machen, arbeiten Forschende weltweit an neuen Materialien, mit denen sich elektrische Ladung besser und schneller transportieren lässt. Ein vielversprechender Ansatz ist der Einsatz von sogenannten Festkörper-Elektrolyten. Im Gegensatz zu herkömmliche Batterien enthalten Feststoff-Batterien keine Flüssigkeit mehr, sondern bestehen vollständig aus festen Materialien was das Risiko für Brände und Umweltschäden reduziert und neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. In diesem Forschungsprojekt untersuchen wir, wie sich elektrisch geladene Lithium-Ionen durch solche Feststoff-Elektrolyte bewegen. Die ausgewählten Materialien gehören zur sogenannten LLZO-Familie, einer vielversprechenden Materialklasse. Sie gelten als besonders geeignet für Festkörperbatterien, weil sie Lithium-Ionen effizient leiten können. Damit wir besser verstehen, wie sich diese Ionen im Inneren des Materials bewegen, verwenden wir eine spezielle Form der Kernspinresonanz-Messung (NMR). Dieses Verfahren erlaubt es, die Bewegung von Ionen auf atomarer Ebene sichtbar zu machen. Ein besonderes Augenmerk legen wir auf sogenannte Einkristalle das sind besonders reine, gleichmäßig aufgebaute Materialien. Sie bieten ideale Voraussetzungen, um den Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Ionenbewegung präzise zu untersuchen. Außerdem entwickeln wir im Rahmen des Projekts eine neuartige NMR-Messeinheit, mit der wir gezielt bestimmen können, wie sich Ionen in verschiedene Richtungen innerhalb des Kristalls bewegen. Dadurch erhoffen wir uns neue Einblicke, wie Strukturveränderungen etwa durch die gezielte Beimischung anderer Elemente wie Aluminium oder Tantal die Beweglichkeit der Ionen beeinflussen. Das Projekt liefert wichtige Grundlagen für die Entwicklung leistungsfähigerer Festkörperbatterien. Gleichzeitig trägt es dazu bei, ein besseres Verständnis für die Vorgänge im Inneren von Materialien zu gewinnen ein zentraler Baustein für die Energietechnologien der Zukunft.