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Lithium-Ionen-Akkus um Faktor Zehn verbessert

17.11.2011
Forscher steigern Kapazität und Ladegeschwindigkeit dramatisch

Wissenschaftlern der Northwestern University ist ein Durchbruch in der Batterieforschung gelungen. Eine neuartige Elektrode erlaubt es Lithium-Ionen-Batterien, in Zukunft zehn Mal länger ihre Spannung zu halten. Gleichzeitig verringert sich die Zeit, die zum Aufladen benötigt wird, auf ein Zehntel. Schon in drei bis fünf Jahren könnte die Erfindung auf den Markt kommen.

Entwicklung überzeugt im Dauereinsatz

Wenn man Smartphones in Zukunft nur noch einmal pro Woche aufladen muss und dafür nur noch eine Viertelstunde benötigt, könnte das an jenem entwicklerischen Meilenstein liegen, den die Masterminds der in Illinois gelegenen Universität nun gelegt haben. Um diese beeindruckende Steigerung der Eigenschaftden der weit verbreiteten Akkus zu erreichen, kombinierten sie das Wissen aus zwei Forschungsansätzen der Chemietechnik.

Harold H. Kung, führender Autor des im "Advanced Energy Materials"-Journal veröffentlichten Papers, erklärt, dass die neuen Batterien auch im Dauereinsatz überlegen sind. "Auch nach 150 Ladevorgängen, was einer Verwendung von einem Jahr oder mehr entspricht, ist so ein Lithium-Ionen-Akku immer noch fünf Mal effektiver als jene, die heute im Handel erhältlich sind."

Lange Reise durch das Graphen

Li-Ion-Energiespeicher werden über eine chemische Reaktion ge- und entladen, durch die Lithiumionen zwischen den beiden Polen der Batterie hin- und hergeschickt werden. Dies bringt zwei Limitationen mit sich. Zum einen ist die Kapazität - der Zeitraum über welchen die Batterie die Spannung halten kann - abhängig von der Aufnahmefähigkeit von Anode und Kathode. Zum anderen entscheidet die Geschwindigkeit, in der die Ionen den Weg von einem Pol durch das Elektrolyt zum anderen Pol zurücklegen, über die Zeit, die zum Wiederaufladen benötigt wird.

Der negative Pol herkömmlicher Akkus besteht aus mehreren Schichten Graphen. Diese können nur ein Lithium-Atom je sechs Kohlenstoffatomen aufnehmen. Dazu verlangsamen die nur eine Atomschicht dicken, jedoch enorm langen Graphenblätter die Reise der Ionen zu ihrer Mitte, was in der Folge zu einem "Stau" an deren Rändern führt.

Silikon-Sandwiches als Schlüssel

Verschiedene Wissenschafter haben bereits mit Silikon als Ersatzmaterial experimentiert. Dieses kann theoretisch vier Lithium-Teilchen pro Atom beherbegen, dehnt sich jedoch beim Be- und Entladen rapide aus, was zur Fragmentierung und zum schnellen Verlust der Ladekapazität führt.

An der Northwestern University hat man nun beide Zugangsweisen kombiniert: In der neuentwickelten Batterie stecken "Silikon-Sandwiches" zwischen den Graphenschichten. Dies hält die Volumsveränderungen des Silikons in Grenzen und erhöht die Aufnahmekapazität deutlich. Kleine Löcher im Graphen, die einen Durchmesser von zehn bis 20 Nanometer aufweisen und über ein Oxidationsverfahren herbeigeführt werden, ermöglichen es den Lithium-Ionen, Abkürzungen zu nehmen und verbessern die Ladezeit dramatisch. "Jetzt haben wir fast das Beste aus beiden Welten", so Kung.

Batterie soll sich selbst ausschalten

Bisher konzentrierten sich die Forscher ausschließlich auf die Anode, nun wollen sie die Vorgänge in der Kathode unter die Lupe nehmen, um weitere Verbesserungsmöglichkeiten zu entdecken. Sie arbeiten zudem an einem Elektrolyt-System, das Akkus dazu bringen soll, sich bei Überhitzung automatisch abzuschalten, ohne dabei funktionsuntüchtig zu werden. Nach Angaben des Forscherteams könnte die "zehnfach bessere" Batterie schon in drei bis fünf Jahren auf dm Markt erhältlich sein.

Georg Pichler | pressetext.redaktion
Weitere Informationen:
http://www.northwestern.edu

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