Die meisten Feststoffe dehnen sich bei steigenden Temperaturen aus und schrumpfen beim Abkühlen. Manche Materialien bewirken das Gegenteil und dehnen sich in der Kälte aus. Lithiumtitanphosphat ist ein solcher Stoff und könnte eine Lösung für das Problem der stark nachlassenden Leistung von Lithium-Ionen-Batterien in kalten Umgebungen sein. Im Tagebuch Angewandte ChemieEin chinesisches Team hat seine Eignung für den Einsatz in Elektroden für wiederaufladbare Batterien nachgewiesen.
Lithium-Ionen-Batterien und andere wiederaufladbare Batterien auf Basis von Metallionen versorgen unsere tragbaren Geräte mit Strom, treiben Fahrzeuge an und speichern Sonnen- und Windenergie. Sie funktionieren gut – solange es warm ist. Wenn die Temperaturen sinken, kann die Leistung dieser Batterien stark abnehmen – ein Problem für Elektroautos, Luft- und Raumfahrt sowie militärische Anwendungen. Gegenmaßnahmen wie integrierte Heizungen, verbesserte Elektrolyte oder Elektrodenbeschichtungen erhöhen die Kosten und Komplexität der Batterieproduktion oder verringern die Leistung.
Eine der Ursachen für das Kälteproblem ist die verlangsamte Diffusion von Lithiumionen innerhalb des Elektrodenmaterials. Ein Team der Donghua-Universität und der Fudan-Universität in Shanghai sowie der Inneren Mongolei-Universität in Hohhot hat einen neuen Ansatz zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen: Elektroden aus elektrochemischen Energiespeichermaterialien mit negativer Wärmeausdehnung (NTE), wie etwa Lithiumtitanphosphat LiTi2(PO4)3 (LTP). Unter der Leitung von Liming Wu, Chunfu Lin und Renchao Che nutzte das Team LTP als Modellsubstanz, um zu zeigen, dass Elektrodenmaterialien mit NTE-Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen eine gute Leistung erbringen können.
Die Analyse der Kristallstruktur ergab ein dreidimensionales Gitter aus TiO6 Oktaeder und PO4 Tetraeder mit einer offenen, flexiblen Struktur, die sowohl „Hohlräume“ als auch „Kanäle“ enthält, in denen sich Lithiumionen festsetzen können. Beim Abkühlen dehnt sich die Struktur entlang einer ihrer Kristallachsen aus. Mithilfe spektrometrischer und elektronenmikroskopischer Analysen in Verbindung mit Computermodellen stellte das Team fest, dass sich die Schwingungsmodi der Atome bei niedrigen Temperaturen ändern. Dadurch kommt es verstärkt zu speziellen Transversalschwingungen bestimmter Sauerstoffatome, wodurch sich deren Abstände zueinander vergrößern und die Hohlräume im Gitter verbreitern. Dies erleichtert die Lagerung und den Transport der Lithium-Ionen. Bei −10 °C beträgt ihre Diffusionsrate immer noch 84 % des Wertes bei 25 °C. Elektrochemische Tests an kohlenstoffbeschichtetem LTP bei −10 °C zeigten ebenfalls eine gute elektrochemische Leistung mit hoher Kapazität und hoher Geschwindigkeitsfähigkeit sowie eine hohe Kapazitätserhaltung über 1000 Lade-/Entladezyklen.
Materialien mit negativer Wärmeausdehnung sind daher vielversprechend für den Einsatz als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien in kalten Umgebungen.
