Die rasante Entwicklung von Elektrofahrzeugen und Hochleistungselektronik hat die Nachfrage nach ultraschnellladefähigen Lithium-Ionen-Akkus stark erhöht. Allerdings weisen aktuelle Lithium-Ionen-Akkus während Schnellladevorgängen einen erheblichen Leistungsabfall auf, der sogar zu Totalausfällen führen kann und somit Sicherheitsrisiken birgt. Dies ist hauptsächlich auf elektrochemische Instabilität an der Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche zurückzuführen, die schädliche Lithium-Metall-Abscheidungen auf der Akkuoberfläche und eine geringe thermische Stabilität zur Folge hat.
In den letzten Jahren haben sich Hochvolt-Anodenmaterialien als vielversprechende Alternativen zur Verhinderung übermäßiger Lithiumablagerungen und der Bildung instabiler Festelektrolyt-Grenzschichten (SEI) erwiesen. Trotz dieser Vorteile weisen die derzeitigen Materialien jedoch weiterhin eine unzureichende Ionenleitfähigkeit und thermische Stabilität auf, was die Leistung und die Langzeitstabilität beeinträchtigt.
Laut ausländischen Medienberichten hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Dongwook Han an der Seoul National University of Science and Technology ein nicht-stöchiometrisches (OS) Lithiumtitanphosphat-Anodenmaterial mit NASICON-Struktur entwickelt, um diese Probleme zu lösen. Dieses Material ist bekannt für seine außergewöhnliche Struktur- und thermische Stabilität. Durch die spezielle Struktur kann eine spontane Phasenumwandlung unterhalb der Oberfläche der Aktivmaterialpartikel induziert werden, wodurch kinetische Beschränkungen überwunden und eine stabile Schnellladeleistung erzielt wird.
Relevante Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Oberflächenmodulation zur Beschleunigung des Ionentransports
Lithiumtitanphosphat (LTP) besitzt eine Struktur vom Typ Natrium-Superionenleiter (NASICON) und zeichnet sich durch hervorragende Struktur- und thermische Stabilität sowie schnelle Lithiumionen-Diffusionskanäle aus. Um sein volles Potenzial auszuschöpfen, wählten Forscher eine nicht-stöchiometrische Designstrategie und erhöhten gezielt das Verhältnis von Phosphor (P) zu Titan (Ti). Diese titanarme Zusammensetzung führt zur Bildung von Titanphosphat-Domänen (TPO) nahe der Oberfläche der LTP-Partikel.
Diese TPO-reichen Bereiche fungieren als hocheffiziente kinetische Kanäle, senken die Energiebarriere für den Lithiumionentransport über die Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche und bilden schnelle Ionentransportwege nahe der Partikeloberflächen. Darüber hinaus sorgen die hochflexiblen P-O-P-Bindungen im TPO-Gerüst für strukturelle Flexibilität, um sich an Volumenänderungen während schneller Ladezyklen anzupassen und die NASICON-artige Struktur vor irreversiblen Schäden zu schützen.
Robuste Leistung auch unter Schnellladebedingungen
Dementsprechend behielt die OS-LTP-Kohlenstoff (OS-LTP/C)-Verbundanode bei Schnellladefähigkeitstests, dem entscheidenden Indikator zur Bewertung der Schnellladefähigkeit, bemerkenswerte 86 % ihrer Anfangskapazität bei einer Laderate von 10C, während die Kapazität der reinen LTP/C-Verbundanode drastisch abfiel.
Dieses Material bietet auch nach über 250 Zyklen eine ausgezeichnete Zyklenstabilität. Vollzellenkonfigurationen zeigen eine ähnlich hohe Leistungsfähigkeit und eine breite Kompatibilität mit Hochvoltkathoden.
Ein umfassenderer Weg zu sichereren Batterien
„Unsere Methode schafft ein völlig neues Paradigma für die Entwicklung von Schnellladebatterien und lässt sich auf zahlreiche zukünftige Energiespeichersysteme, einschließlich Festkörperbatterien, anwenden“, betonte Han. „Diese Designstrategie kann Elektrofahrzeuge alltagstauglicher machen, indem sie die Ladezeit verkürzt, die Sicherheit erhöht und erneuerbare Energienetze unterstützt.“
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese nicht-stöchiometrische Designstrategie eines der zentralen Probleme von wiederaufladbaren Batterien angeht und einen vielversprechenden Ansatz für die marktreife ultraschnelle Energiespeichertechnologie bietet.
Veröffentlichungsdatum: 07.08.2026