Chaos mit System ermöglicht ultraschnelles Akkuladen
Forschende der Humboldt-Universität entwickeln ungewöhnliche Strategie zur Leistungssteigerung von Batterien.
Unter der Leitung von Nicola Pinna und Patrícia Russo von der Humboldt-Universität zu Berlin gelang es Forschenden, die atomare Ordnung von Batterien gezielt zu stören. Das Ergebnis: Hochleistungs-Anoden für Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien mit außergewöhnlich hoher Ladegeschwindigkeit und Stabilität, die einen entscheidenden Schritt hin zu sichereren und langlebigeren Energiespeichern darstellen.
Bisher galt bei Batteriematerialien die Regel: Je perfekter die Kristallstruktur, desto besser die Ionenleitung. Diese Perfektion geht jedoch häufig mit struktureller Starrheit, eingeschränkter Ionenbeweglichkeit und schlechter Leistung bei hohen Ladegeschwindigkeiten einher. In zwei Studien gelang es Forschenden das Paradigma umkehren: Ihre Forschung zeigt, dass gezielte Unordnung – nicht Ordnung – die Ionenleitfähigkeit verbessern, die Zyklenstabilität erhöhen und neue Speichermechanismen von Batterien erschließen kann. Der Paradigmenwechsel könnte das Materialdesign in diesem Bereich neu definieren.
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„Unsere Ergebnisse zeigen, dass gezielt eingesetzte Unvollkommenheit ein mächtiges Werkzeug im Materialdesign sein kann“, sagt Prof. Pinna. Dr. Russo fügt hinzu: „Indem wir die atomare Ordnung bewusst durchbrechen, erschließen wir vollkommen neue Wege für leistungsstärkere, langlebigere und damit nachhaltigere Hochleistungsbatterien“.
Durch strukturelle Unordnung in Niob-Wolfram-Oxiden sowie eine kontrollierte Amorphisierung – den Übergang des Materials in einen ungeordneten Zustand – in Eisenniobat gelang es den Forschenden, neue Materialien für leistungsfähigere und langlebigere Batterien zu entwickeln. Für Lithium-Ionen-Batterien wurde ein besonders langlebiges Material hergestellt: Selbst nach 1.000 Ladezyklen bleibt ein großer Teil der ursprünglichen Leistung erhalten. Auch für Natrium-Ionen-Batterien, einer umweltfreundlicheren Alternative, wurde ein neuartiges Material entwickelt: Es verändert sich beim ersten Laden stark, behält aber wichtige Strukturen bei. Daraus ergeben sich eine sehr hohe Speicherkapazität und eine lange Lebensdauer von über 2.600 Ladezyklen bei fast gleichbleibender Leistung.
Die Kombination aus ungeordneten Lithium-Anoden und amorphen Natrium-Anoden eröffnet neue Perspektiven für ultraschnell ladende Elektrofahrzeuge, stationäre Speicherlösungen für erneuerbare Energien und sichere Alternativen zu bisherigen Batterietechnologien. Die Studien unterstreichen das Potenzial atomarer Designprinzipien zur Lösung globaler Energieprobleme. [Quelle: HU Berlin]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichungen
Y. Liu et al., A partially disordered crystallographic shear block structure as fast-charging negative electrode material for lithium-ion batteries, Nat. Commun. 16, 6507 (2025); DOI: 10.1038/s41467-025-61646-9
Y. Liu et al., FeNb2O6 as a High-Performance Anode for Sodium-Ion Batteries Enabled by Structural Amorphization Coupled with NbO6 Local Ordering, Adv. Mater. e04100, (2025); DOI: 10.1002/adma.202504100 - Functional Materials group (Nicola Pinna), Institut für Chemie, Humboldt-Universität zu Berlin
