Lithium-Phosphor-Schwefel-Chlorid (Li₆PS₅Cl) ist ein vielversprechendes Elektrolytmaterial für Festkörperbatterien. Zwar wurde in verschiedenen früheren Studien das Potenzial von superionischen Materialien (Superionic Compounds, SiC) als Festkörperelektrolyte untersucht, doch sind die physikalischen Grundlagen ihrer schnellen Ionen-Diffusion noch nicht vollständig geklärt. Insbesondere ist unklar, ob diese Eigenschaft auf einer flüssigkeitsähnlichen Bewegung im Material oder auf den herkömmlichen Gitterphononen (d. h. Atomschwingungen) beruht.
Mithilfe von Neutronenstreuung und Computersimulationen haben Forscher der Duke University und anderer Institute die atomare Dynamik dieses Materials untersucht. Indem sie das Material auf über 400 K (260 °C) erhitzten, versetzten sie es in den superionischen Zustand, in dem sich die Ionen wie eine Flüssigkeit verhalten. In diesem Zustand stellten die Wissenschaftler fest, dass Lithiumionen schnell durch die Kristallstruktur des Materials springen können. Das Team dokumentierte außerdem, wie bestimmte Schwingungsarten im Kristall es den Ionen ermöglichen, durch schwingende Engpässe im Kristall zu springen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass diese Schwingungen einen langreichweitigen Ionentransport und eine erhebliche Verbesserung der Leitfähigkeit ermöglichen.
Diese Erkenntnisse zeigen den Forschern, wie sie den Ionenfluss innerhalb eines Festkörperbatteriematerials verbessern können.
Mithilfe dieses Wissens könnte die Entwicklung eines Festkörperbatteriematerials gelingen, das sehr hohe Mengen an beweglichen Ionen sowie eine gute chemische und thermische Stabilität aufweist, die mit der Stabilität von Batterien mit Flüssigelektrolyt vergleichbar ist.
Die Möglichkeit, SIC-Materialien maßzuschneidern, könnte Forschern auch als Orientierung dienen, um Geräte wie Brennstoffzellen und Computer zu verbessern. (jr)
