Chaos mit System: Gezielte Unordnung ermöglicht ultraschnelles Akkuladen
Forschende der Humboldt-Universität entwickeln ungewöhnliche Strategie zur Leistungssteigerung von Batterien
Unter der Leitung von Prof. Dr. Nicola Pinna und Dr. Patrícia Russo vom Institut für Chemie an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) gelang es Wissenschaftler*innen, 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.
Unvollkommenheit für Materialdesign nutzen
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, die in den Fachzeitschriften Nature Communications und Advanced Materials veröffentlicht wurden, 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. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass gezielt eingesetzte Unvollkommenheit ein mächtiges Werkzeug im Materialdesign sein kann“, sagt Prof. Dr. Nicola Pinna. Dr. Patrícia Russo fügt hinzu: „Indem wir die atomare Ordnung bewusst durchbrechen, erschließen wir vollkommen neue Wege für leistungsstärkere, langlebigere und damit nachhaltigere Hochleistungsbatterien“.
Neue Perspektiven für Elektroautos, Datenspeicher und Batterietechnologie
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.
Publikationen:
A Partially Disordered Crystallographic Shear Block Structure as Fast-Charging Anode Material for Lithium-Ion Batteries
Liu, Y., Buzanich, A. G., Montoro, L. A., Liu, H., Liu, Y., Emmerling, F., Russo, P. A., Pinna, N.
Nature Communications 16, 6507 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61646-9
FeNb2O6 as a High-Performance Anode for Sodium-Ion Batteries Enabled by Structural Amorphization Coupled with NbO6 Local Ordering
Liu, Y., Buzanich, A. G., Alippi, P., Montoro, L. A., Lee, K-S., Jeon, T., Weißer, K., Karlsen, M.A., Russo, P. A., Pinna, N.
Advanced Materials e04100, (2025). https://doi.org/10.1002/adma.202504100
Kontakt:
Prof. Dr. Nicola Pinna und Dr. Patrícia Russo
Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin
+49 30 2093-82782
nicola.pinna(at)hu-berlin.de
patricia.russo(at)hu-berlin.de
www.chemie.hu-berlin.de
HU-Pressemitteilung vom 29.07.2025