Duke University Superionische Kristalle für sicherere Akkus

Eine künstlerische Umsetzung der faszinierenden superionischen kristallinen Struktur von CuCrSe2, bei der sich Kupferionen wie eine Flüssigkeit zwischen festen Schichten aus Chrom und Selen bewegen, was zu nutzbringenden elektrischen Eigenschaften führt.
Eine künstlerische Umsetzung der faszinierenden superionischen kristallinen Struktur von CuCrSe2, bei der sich Kupferionen wie eine Flüssigkeit zwischen festen Schichten aus Chrom und Selen bewegen, was zu nutzbringenden elektrischen Eigenschaften führt.

Heutige Lithium-Ionen-Akkus verwenden flüssige Elektrolyten. Diese sind zwar effizient, aber auch gefährlich brennbar. Daher arbeitet man angestrengt an festen Elektrolyten. Ein Kandidat dafür sind superionische Kristalle. Nun haben Materialwissenschaftler der Duke University diese analysiert.

Die meisten handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus verwenden einen flüssigen Elektrolyten, um Ionen zwischen den positiven und negativen Polen der Batterie zu transportieren. Diese Flüssigkeit ist zwar effizient, kann aber gefährlich brennbar sein, wie viele Laptop- und Smartphone-Besitzer leider feststellen mussten. Einen Ausweg könnten superionische Kristalle bieten.

Superionische Kristalle, ein beliebtes Studienobjekt in den letzten fünf Jahren, sind eine Mischung aus Flüssigkeit und Feststoff. Während einige ihrer molekularen Komponenten eine starre kristalline Struktur aufweisen, werden andere ab einer bestimmten Temperatur flüssig und können durch das feste Gerüst fließen.

In einer neuen Studie untersuchten Wissenschaftler der Duke University unter der Leitung von Olivier Delaire, des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und des Argonne National Laboratory (ANL) einen solchen superionischen Kristall aus Kupfer, Chrom und Selen (CuCrSe2) mit Neutronen und Röntgenstrahlen. Sie analysierten, wie die Kupferionen des Materials ihre flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften erlangen. Die Ergebnisse sind in der Online-Ausgabe von Nature Physics erschienen.

Durch das Auftreffen der starken Neutronen aus der Spallation Neutron Source in Oak Ridge auf eine große Probe von pulverförmigem CuCrSe2 erhielten die Forscher einen großflächigen Einblick in die atomare Struktur und Dynamik des Materials. Sie zeigten sowohl die Schwingungen des steifen Gerüstes aus Chrom- und Selenatomen als auch das zufällige Springen von Kupferionen im Inneren.

Für einen engmaschigeren, dafür aber detaillierteren Blick auf die Vibrationsmodi beschossen die Forscher ein winziges Einzelkorn aus CuCrSe2-Kristall mit hochauflösenden Röntgenstrahlen aus der Advanced Photon Source in Argonne. So konnten sie untersuchen, wie die Atome die Strahlen streuen und wie Gerüstschwingungen zur Ausbreitung von Scherwellen führt, ein Kennzeichen für feststoffliches Verhalten.

Mit beiden Datensätzen in der Hand führte Delaires Gruppe Quantensimulationen des atomaren Verhaltens des Materials am National Energy Research Scientific Computing Center durch, um ihre Ergebnisse zu erklären. Unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur von +87,78 °C schwingen die Kupferatome um isolierte Stellen, gefangen in Taschen des Materialgerüsts. Oberhalb dieser Temperatur können sie jedoch zufällig zwischen mehreren verfügbaren Stellen wechseln. Dadurch können die Kupferionen durch den ansonsten festen Kristall fließen.

Auch wenn noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, um zu verstehen, wie die Kupferatome miteinander interagieren, wenn beide Stellen besetzt sind, liefern die Ergebnisse Hinweise darauf, wie ähnliche Materialien in zukünftigen elektronischen Anwendungen eingesetzt werden können.

»Es gibt Varianten von superionischen Kristallen, die Ionen wie Lithium oder Natrium enthalten, die sich wie das Kupfer in CuCrSe2 verhalten«, erklärt Delaire. »Wenn durch diese Studie und zukünftige Forschung verstehen können, wie superionische Kristalle funktionieren, könnten wir vielleicht eine bessere, feststoffhaltige Lösung für den Transport von Ionen in Akkus finden.«

Originalpublikation

J. L. Niedziela, Dipanshu Bansal, Andrew F. May, Jingxuan Ding, Tyson Lanigan-Atkins, Georg Ehlers, Douglas L. Abernathy, Ayman Said, and Olivier Delaire, »Selective Breakdown of Phonon Quasiparticles across Superionic Transition in CuCrSe2«, Nature Physics, 2018. DOI: 10.1038/s41567-018-0298-2