KI macht Lithium-Ionen-Batterien sicherer

Vom Smartphone bis zum Elektroauto – Lithium-Ionen-Batterien stecken in zahllosen technischen Geräten. In ihnen wandern positiv geladene Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden – Anode und Kathode – hin und her und durchqueren dabei einen sogenannten Elektrolyten. Heute befinden sich in den Batterien fast ausschließlich flüssige Elektrolyten, da diese eine besonders hohe Leitfähigkeit für die Lithiumionen bieten. Das ist wichtig, um Batterien schnell und effizient zu laden und zu entladen. Dabei hätten feste Elektrolyten durchaus Vorteile: Sie könnten die Brandgefahr reduzieren und zugleich höhere Energiedichten bei besserer Haltbarkeit ermöglichen. Doch die Beweglichkeit der Lithiumionen ist in festen Elektrolyten bisher deutlich geringer als in flüssigen. Eine Lösung fanden nun Materialforschende. Unterstützt von Künstlicher Intelligenz entwickelten sie einen festen Elektrolyten, durch den sich Lithiumionen verblüffend gut bewegen konnten.

In festen Elektrolyten bildet eine Vielzahl von Elementen wie Lithium, Phosphor, Schwefel oder Jod ein mehr oder weniger komplexes Kristallgitter. Von der Struktur dieser Gitter hängt es ab, ob Lithiumionen leicht ihren Weg durch den Kristall finden oder dabei behindert werden. Das Team um Guopeng Han von der University of Liverpool sammelte nun Wissen, welche Kristallstrukturen besonders leitfähig sind – und trainierte damit ein KI-Modell. Statt Materialien im Labor langwierig erzeugen und untersuchen zu müssen, kann das System die möglichen Kristallstrukturen und Materialmischungen sehr viel schneller bewerten als Menschen und neue Ideen generieren.

Von KI vorgeschlagene Struktur meistert Praxistest

Das KI-Modell identifizierte eine Kristallstruktur, die den Lithiumionen für ihre Wanderung viele verschiedene Pfade eröffnete. In Simulationen des Kristalls ordnen sich die Atome der Elemente Lithium, Silizium, Schwefel und Jod abwechselnd in einer würfel- und in einer wabenförmigen Struktur an. Um zu untersuchen, wie sich das Material in der Wirklichkeit schlägt, stellten die Forschenden die speziellen Kristalle her: In einer genau abgestimmten Mischung heizten sie unterschiedliche Ausgangsmaterialien wie Siliziumsulfid, Lithiumsulfid und Lithiumiodid über vier Tage auf bis zu 450 Grad Celsius auf. Dabei entstand ein kristallines Pulver der gewünschten Zusammensetzung mit der chemischen Formel Li₇Si₂S₇I.

In ersten Versuchen überprüften die Forschenden die Eigenschaften dieses festen Elektrolyten. Tatsächlich zeigte er bei Raumtemperatur eine verblüffend hohe Beweglichkeit für Lithiumionen: Mit 0,01 Siemens pro Quadratzentimeter liegt dieser Wert im gleichen Bereich wie bei heutigen flüssigen Elektrolyten. Diese Basis erlaubt, in Zukunft haltbare und leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien mit festen Elektrolyten zu entwickeln. Womöglich lassen sich auf demselben Weg noch weitere Elektrolytmaterialien entdecken, die nicht nur sicherer sind, sondern auch höhere Energiedichten bieten könnten als bisher verfügbare Lithium-Ionen-Batterien.