Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

So halten Akkus länger und laden schneller

05.07.2016

Materialforscher des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen und der ETH Zürich haben ein sehr einfaches und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu steigern. Ob Armbanduhr, Smartphone, Laptop oder Auto, für alle Anwendungsbereiche lassen sich so die Akkus optimieren – das Verfahren ist in der Grösse skalierbar. Demnach hält eine Ladung nicht nur deutlich länger, auch das Aufladen erfolgt schneller. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der neuesten Ausgabe des Fachjournals Nature Energy.

Um die Leistung von Akkus zu verbessern, muss man sie nicht unbedingt neu erfinden: „Die meisten Forscher konzentrieren sich in diesem Wettbewerb auf die Entwicklung neuer Materialien“, sagt Claire Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe Batteriematerialien am Paul Scherrer Institut PSI. Sie und ihre Mitarbeiterin Juliette Billaud sind in Kooperation mit Kollegen der ETH Zürich einen anderen Weg gegangen: „Wir haben geschaut, wie viel Potenzial noch in den bestehenden Komponenten steckt.“


Die Grafitflocken in einer herkömmlichen Anode liegen kreuz und quer. Die Lithiumionen müssen Umwege gehen. Richtet man die Flocken vertikal und parallel zueinander aus, haben die Ionen kürzere Wege.

Grafik: Juliette Billaud, Florian Bouville, Tommaso Magrini/Paul Scherrer Institut, ETH Zürich


Juliette Billaud, Mit-Erstautorin der neuen Studie, und Claire Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe für Batteriematerialien am Paul Scherrer Institut.

(Foto: Markus Fischer/Paul Scherrer Institutu)

Allein, indem sie die Grafit-Anode einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, also deren Minuspol, optimiert haben, erzielten die Forschenden einen Leistungssprung: „Unter Laborbedingungen konnten wir die Ladekapazität teilweise verdreifachen. Diesen Wert wird man in kommerziellen Batterien wegen der Komplexität ihres Aufbaus womöglich nicht ganz erreichen. Aber die Leistung wird auf jeden Fall deutlich besser sein, vielleicht um 30 bis 50 Prozent – mit weiteren Experimenten werden wir da präzisere Prognosen liefern können.“

Bestehende Komponenten zu verbessern habe den grossen Vorteil, dass für die industrielle Umsetzung weit weniger Entwicklungsarbeit nötig sei als für ein völlig neues Batteriedesign mit neuen Materialien: „Alles, was es dazu braucht, gibt es bereits“, sagt Villevieille. „In ein oder zwei Jahren wären solche Akkus einsatzbereit, wenn ein Hersteller sich dessen annimmt.“ Das Verfahren sei einfach, kostengünstig und für Akkus in allen Grössenordnungen anwendbar – von Armbanduhr über Smartphone und Laptop bis zum Auto. Ausserdem, so Villevieille, sei es auf andere Materialien und Anode-Kathode-Batterien übertragbar – etwa solche, die auf Natrium basieren.

Flocken ordnen

Der Clou besteht in diesem Fall in der Fabrikation der Anode. Der Grafit, also der Kohlenstoff, aus dem sie besteht, liegt in dicht gepackten, winzigen Flocken vor – man kann sich eine solche Anode wie dunkelgraue Cornflakes vorstellen, die kreuz und quer zu einem Müsli-Riegel gepresst sind. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku aufgeladen wird, wandern von der aus Lithium-Metalloxid bestehenden Kathode, dem Pluspol, Lithium-Ionen als Ladungsträger durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode und lagern sich in dem Grafit-Riegel ein. Beim Gebrauch der Batterie fliessen die Ionen wieder zurück zur Kathode. Dabei allerdings müssen sie in dem dicht gepackten Wirrwarr aus Grafitflocken viele Umwege gehen, was die Leistung der Batterie beeinträchtigt.

Diese Umwege lassen sich grossteils vermeiden, wenn man die Flocken schon bei der Herstellung der Anode vertikal ausrichtet, so dass sie alle parallel zueinander von der Elektrodenebene in Richtung Kathode zeigen. Das Verfahren zu dieser Ausrichtung haben Forscher um André Studart an der ETH Zürich, die Experten in der Nanostrukturierung von Materialien sind, von einer bereits bekannten Methode zur Herstellung synthetischer Kompositmaterialien übernommen: Zunächst werden die Grafitflocken mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid ummantelt und in eine Ethanolsuspension gegeben; sie sind nun also magnetisch und schwimmen in Alkohol.

Die Suspension wird dann einem Magnetfeld von 100 Milli-Tesla ausgesetzt – das ist nicht stärker als das eines handelsüblichen kleinen Magneten, mit dem man etwa Fotos an den Kühlschrank heftet. „Den Magneten lassen wir dabei rotieren“, erklärt André Studart. „Denn dann richten sich die Plättchen nicht nur alle vertikal aus, sondern sie drehen auch ihre Flächen parallel zueinander – wie Bücher im Regal. So sind wirklich alle fein geordnet und die Wege für die Lithium-Ionen so kurz wie möglich.“

Kürzere Wege für die Ionen

Wie man auf Mikroskopaufnahmen sehen kann, behalten die Plättchen ihre neue Orientierung auch nach Trocknen der Suspension bei, wenn der Magnet so lange angeschlossen bleibt. Statt kreuz und quer zueinander liegen die Flocken in dem gepressten Grafitriegel nun also in Reih und Glied. So können die Lithium-Ionen nicht nur viel leichter und schneller fliessen, auch die Ladekapazität steigt – es können mehr Ionen andocken. „Bei alldem bleibt die chemische Zusammensetzung der Batterie die gleiche“, betont Claire Villevieille. Die verbleibenden Nanopartikel aus Eisenoxid seien zu vernachlässigen und hätten auf die Funktion keinerlei Einfluss. „Wir haben nur den Aufbau der Anode optimiert.“

Text: Jan Berndorff


Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 370 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.


Kontakt/Ansprechpartner

Dr. Claire Villevieille, Gruppenleiterin Batteriematerialien, Sektion Elektrochemische Energiespeicher, Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz
Telefon: +41 56 310 24 10, E-Mail: claire.villevieille@psi.ch [Englisch, Französisch]

Prof. Dr. André Studart, Forschungsgruppe für Komplexe Materialien, ETH Zürich, Schweiz
Telefon: +41 44 633 70 50, E-Mail: andre.studart@mat.ethz.ch [Englisch]

Originalveröffentlichung

Magnetically aligned graphite electrodes for high rate performance Li-ion batteries
J. Billaud, F. Bouville, T. Magrini, C. Villevieille, A.R. Studart
Nature Energy 4. Juli 2016 (online)
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nenergy.2016.97

Weitere Informationen:

http://psi.ch/awr1 - Die Medienmitteilung auf der Webseite des PSI mit einem weiteren Foto
http://psi.ch/75EC - Der Schlüssel für schnelles Aufladen einer Lithiumionen-Batterie (Medienmitteilung von 2015 zu einem verwandten Thema)

Jan Berndorff | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Gedruckte »in-situ« Perowskitsolarzellen – ressourcenschonend und lokal produzierbar
17.05.2018 | Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

nachricht Ein elektronischer Rettungshund
17.05.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics