Technische Universität Graz setzt auf Defektchemie für bessere Ionenleitfähigkeit

Batterietechnik Technische Universität Graz setzt auf Defektchemie für bessere Ionenleitfähigkeit

24.08.2026 Von Stefanie Eckardt 2 min Lesedauer

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Lithium-Titanat ist ein Batteriematerial, das im unbehandelten Zustand Lithium-Ionen nur schlecht leitet. Doch Experimente der TU Graz haben nun gezeigt, dass gezielt erzeugte Defekte im Kristallgitter einen bislang blockierten Transportweg für Lithium-Ionen in dem Material aktivieren.

Gezielt erzeugte Defekte im Kristallgitter aktivieren einen bislang blockierten Transportweg für Lithium-Ionen im Batteriematerial Lithium-Titanat. Sauerstoff (rot), Lithium (blau) und Titan (grau) bilden die Kristallstruktur von LTO. (Bild: TU Graz) — Gezielt erzeugte Defekte im Kristallgitter aktivieren einen bislang blockierten Transportweg für Lithium-Ionen im Batteriematerial Lithium-Titanat. Sauerstoff (rot), Lithium (blau) und Titan (grau) bilden die Kristallstruktur von LTO.
(Bild: TU Graz)

Dem Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz gelang es, reines, d.h. nicht-lithiiertes Lithium-Titanat (LTO) mit der ursprünglichen Zusammensetzung Li4Ti5O12 auf ganz anderem Wege in einen deutlich besseren Ionenleiter zu verwandeln: durch bewusst erzeugte „Löcher“ im Kristallgitter, sogenannte Sauerstofffehlstellen. Werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt, entstehen diese Leerstellen, die einen für die Ionen bisher blockierten Wanderungspfad freischalten. „Dieser Diffusionspfad ist im Material bereits durch die LTO-Struktur vorgeprägt, wird aber durch die Defektstruktur erst aktiviert“, erläutert Prof. Dr. H. Martin R. Wilkening.

Leitfähigkeitsspektroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie kombinieren

Um die Fehlstellen in LTO zu erzeugen, wurde das Lithium-Titanat in einer sauerstoffarmen Atmosphäre auf 300 Grad Celsius erhitzt. „Durch dieses schonende Erhitzen werden einzelne Sauerstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt“, so Wilkening. „Die entstehenden anionischen Leerstellen im Kristallgitter haben einen direkten Einfluss auf die Bewegungsmöglichkeiten der Lithium-Kationen und machen aus dem ursprünglich schlechten einen deutlich besseren Ionenleiter. Am Beispiel LTO zeigt sich der enorme Einfluss von atomaren Defektstrukturen auf die makroskopische Funktion eines Materials besonders deutlich.“

Die schnelle Ionenleitung ließ sich durch die Kombination von Leitfähigkeitsspektroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) experimentell nachweisen. Den direkten experimentellen Nachweis des neu aktivierten atomaren Diffusionspfads lieferten dabei die NMR-Messungen. „Unsere Experimentalstudie zeigt eindrucksvoll, dass die Eigenschaften eines Festkörpers nicht allein durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt werden, sondern in entscheidendem Maß auch durch seine lokale Defektstruktur und thermische Vorgeschichte“, betont Martin Wilkening. „Wir zeigen, wie sich mit den klassischen Konzepten der anionischen Defektchemie die Beweglichkeit kleiner Lithium-Kationen gezielt steuern lässt.“

Neue Materialfunktionen profitieren von Grundlagenforschung

Die Arbeit sei zugleich ein Paradebeispiel dafür, wie zweckfreie Grundlagenforschung neue Materialfunktionen hervorbringen würde, wie Wilkening unterstreicht: „Die gezielte Steuerung der Ionenleitfähigkeit durch Defektchemie eröffnet langfristig Perspektiven für ionotronische, memristive und neuromorphe Bauelemente in der Mikro- und Nanoelektronik.“ (se)

Beim Laden eines Elektroautos entstehen Verluste nicht nur bei der Leistungswandlung. Auch Fahrzeugelektronik, Leitungen, Batterie und Thermomanagement beeinflussen die Gesamtenergiebilanz. (Bild: frei lizenziert)

Der Gesundheitszustand einer Lithium-Ionen-Batterie verändert sich mit zunehmender Alterung. KI-Modelle können charakteristische Veränderungen in den Lade- und Spannungskurven nutzen, um den State of Health abzuschätzen. (Bild: frei lizenziert)

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