Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Batterie-Design auf der Nanoskala: Maßgeschneiderte Akkus – auch für die Elektromobilität

17.03.2016

Forscher um Prof. Carsten Streb von der Uni Ulm haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Lithium-Ionen-Batterien wie sie in Smartphones oder Elektroautos eingesetzt werden, maßschneidern lassen. Um die Akkus zu optimieren, benötigen die Wissenschaftler Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie Metalloxide in Molekülform (POMs). Erste Tests verheißen eine schnellere Be- und Entladung entsprechend veränderter Batterien. Die Ergebnisse sind vor allem für den Bereich Elektromobilität relevant.

Bis 2020 sollen eine Millionen Elektroautos über deutsche Straßen rollen – so die Zielvorgabe der Bundesregierung. Häufige Gründe, warum sich immer noch zahlreiche Verbraucher gegen die umweltfreundliche Alternative zum Benziner oder Dieselfahrzeug entscheiden, sind die langen Ladezeiten der Autobatterie und die geringe Reichweite entsprechender Autos.


Die Beschaffenheit der POM-Kristalle auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt sich durch die Ultraschall-Intensität beeinflussen (hier: 4 h bei 60 kHz)

Abbildung: Institut für Anorganische Chemie I

Womöglich kommt ein Lösungsansatz aus Ulm: Gemeinsam mit chinesischen Kollegen haben Forscher um Professor Carsten Streb (Institut für Anorganische Chemie I) ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Lithium-Ionen-Batterien wie sie in Smartphones, Digitalkameras oder eben Elektroautos eingesetzt werden, auf der Nanoebene „maßschneidern“ und somit optimieren lassen. Dafür benötigen die Chemiker vor allem winzige Kohlenstoff-Röhren sowie Metalloxide in Molekülform (POMs). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Energy and Environmental Science“ erschienen.

An Materialien zur Leistungssteigerung von Batterien wird weltweit intensiv geforscht. Es gilt beispielsweise Metalloxide zu ersetzen, die als relativ schlechte Stromleiter für lange Ladezeiten von Lithium-Ionen-Akkus verantwortlich sind. Auf der Festkörperebene fällt es jedoch selbst versierten Wissenschaftlern schwer, nachzuvollziehen, warum eine Batterie besser funktioniert als eine andere.

Die deutsch-chinesische Forschergruppe hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Prozesse auf der Nanoskala nicht nur verstehen, sondern auch gezielt beeinflussen lassen. Auf diese Weise wollen die Batterieforscher stabile und leistungsfähige Elektroden für Lithium-Ionen-Akkus nach ihren Wünschen maßschneidern.

Die Grundidee: Auf Kationen, die an der Oberfläche von Kohlenstoff-Nanoröhrchen kleben, lassen die Wissenschaftler eine beliebig dicke Schicht aus Metalloxiden in Molekülform (Polyoxometallate / POMs) aufwachsen. Nun können sie an verschiedenen Stellschrauben drehen und so die Eigenschaften der Elektrode auf molekularer Ebene beeinflussen:

„Zum einen lässt sich die Dicke der Polyoxometallat-Schicht per Ultraschall einstellen. Eine weitere Möglichkeit ist die chemische Veränderung der Kationen und der POMs“, erklärt Professor Streb. Zuvor müssten die in Pulverform vorliegenden Nanoröhrchen jedoch im Ultraschallbad „vereinzelt“ und in ein gemeinsames Reaktionsmedium mit den Polyoxometallaten gebracht werden.

Erste Tests verliefen vielversprechend und deuten auf eine schnellere Be- und Entladung entsprechend maßgeschneiderter Batterien gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus hin. Doch bisher sind Herstellung und Aufreinigung der Kohlenstoff-Röhrchen schwierig und kostspielig. „Fünf Gramm Röhrchen, die für einen herkömmlichen Handy-Akku benötigt werden, sind wesentlich teurer als ein ganzes Smartphone“, schränkt Streb ein. Es müsse also ein günstiges Austauschmaterial wie Aktivkohle oder Ruß gefunden werden.

Bei diesen und weiteren Herausforderungen erhalten die langjährigen Kooperationspartner aus Ulm und Peking ab sofort tatkräftige Unterstützung vom Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische Energiespeicherung (HIU). Und wer weiß? Gemeinsam gelingt den Batterieforschern vielleicht ein Durchbruch für die E-Mobilität. Die aktuelle Studie der Wissenschaftler wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und dem „National Basic Research Program of China“ unterstützt.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Carsten Streb: 0731/50-23867, carsten.streb@uni-ulm.de

Jun Hu, Yuanchun Ji, Wei Chen, Carsten Streb and Yu-Fei Song: “Wiring” redox-active polyoxometalates to carbon nanotubes using a sonication-driven periodic functionalization strategy. Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1095-1101. DOI: 10.1039/C5EE03084F.

Annika Bingmann | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen
12.12.2017 | Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES

nachricht Meilenstein in der Kreissägetechnologie
11.12.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik