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Unter der Leitung von Prof. Dr. Nicola Pinna und Dr. Patrícia Russo vom Institut für Chemie an der Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) gelang es Wissenschaftler*innen die atomare Ordnung von Batterien gezielt zu st?ren. Das Ergebnis: Hochleistungs-Anoden für Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien mit au?ergew?hnlich hoher Ladegeschwindigkeit und Stabilit?t, 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 h?ufig mit struktureller Starrheit, eingeschr?nkter Ionenbeweglichkeit und schlechter Leistung bei hohen Ladegeschwindigkeiten einher. In zwei Studien, die in den Fachzeitschriften Nature Communications und Advanced Materials ver?ffentlicht wurden, gelang es Forschenden das Paradigma umkehren: Ihre Forschung zeigt, dass gezielte Unordnung?– nicht Ordnung?– die Ionenleitf?higkeit verbessern, die Zyklenstabilit?t erh?hen und neue Speichermechanismen von Batterien erschlie?en kann. Der Paradigmenwechsel k?nnte das Materialdesign in diesem Bereich neu definieren. ?Unsere Ergebnisse zeigen, dass gezielt eingesetzte Unvollkommenheit ein m?chtiges Werkzeug im Materialdesign sein kann“, sagt Prof. Dr. Nicola Pinna. Dr. Patrícia Russo fügt hinzu: ?Indem wir die atomare Ordnung bewusst durchbrechen, erschlie?en wir vollkommen neue Wege für leistungsst?rkere, langlebigere und damit nachhaltigere Hochleistungsbatterien“.

Neue Perspektiven für Elektroautos, Datenspeicher und Batterietechnologie

Durch strukturelle Unordnung in Niob-Wolfram-Oxiden sowie eine kontrollierte Amorphisierung – den ?bergang des Materials in einen ungeordneten Zustand – in Eisenniobat gelang es den Forschenden, neue Materialien für leistungsf?higere und langlebigere Batterien zu entwickeln. Für Lithium-Ionen-Batterien wurde ein besonders langlebiges Material hergestellt: Selbst nach 1.000 Ladezyklen bleibt ein gro?er Teil der ursprünglichen Leistung erhalten. Auch für Natrium-Ionen-Batterien, einer umweltfreundlicheren Alternative, wurde ein neuartiges Material entwickelt: Es ver?ndert sich beim ersten Laden stark, beh?lt aber wichtige Strukturen bei. Daraus ergeben sich eine sehr hohe Speicherkapazit?t und eine lange Lebensdauer von über 2.600 Ladezyklen bei fast gleichbleibender Leistung.

Die Kombination aus ungeordneten Lithium-Anoden und amorphen Natrium-Anoden er?ffnet neue Perspektiven für ultraschnell ladende Elektrofahrzeuge, station?re Speicherl?sungen für erneuerbare Energien und sichere Alternativen zu bisherigen Batterietechnologien. Die Studien unterstreichen das Potenzial atomarer Designprinzipien zur L?sung globaler Energieprobleme.

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Liu, Y., Buzanich, A. G., Montoro, L. A., Liu, H., Liu, Y., Emmerling, F., Russo, P. A., Pinna, N. ?A Partially Disordered Crystallographic Shear Block Structure as Fast-Charging Anode Material for Lithium-Ion Batteries.“ Nat. Commun. 16, 6507 (2025).

Liu, Y., Buzanich, A. G., Alippi, P., Montoro, L. A., Lee, K-S., Jeon, T., Wei?er, K., Karlsen, M.A., Russo, P. A., Pinna, N.
‘FeNb₂O₆ as a High-Performance Anode for Sodium-Ion Batteries Enabled by Structural Amorphization Coupled with NbO₆ Local Ordering.’ Adv. Mater. e04100, (2025). https://doi.org/10.1002/adma.202504100

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Prof. Dr. Nicola Pinna und Dr. Patrícia Russo
Institut für Chemie der Humboldt-Universit?t zu Berlin

Tel.: +49 30 2093-82782
nicola.pinna@hu-berlin.de; patricia.russo@hu-berlin.de