Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wider den Widerstand - Batterien sollen kleiner und leistungsfähiger werden

18.01.2011
Mobiles Kommunizieren und Arbeiten mit Handy, Smartphone oder Notebook wäre ohne kleine Lithium-Ionen-Batterien nicht denkbar. Ihre Leistungsfähigkeit und Lebenszeit stoßen jedoch bei Anwendungen etwa in der Elektromobilität an ihre Grenzen. Mit einem in der Batterieforschung ungewöhnlichen Verfahren wollen Darmstädter Forscher den Weg zu kleineren und leistungsfähigeren Batterien ebnen.

Wie jede Batterie bestehen Lithium-Ionen-Batterien aus drei Komponenten: dem Pluspol (Kathode), dem Minuspol (Anode) und dem sogenannten Elektrolyten, der die beiden Pole voneinander trennt, durch den aber während des Betriebs Ionen wandern. Wie die verschiedenen Materialien an ihren Grenzflächen miteinander reagieren und welche Schichten sich hierbei bilden, ist bislang nicht ausreichend verstanden.

„Um Lithium-Ionen Batterien zu optimieren, müssen wir verstehen, welche chemischen Reaktionen an den Grenzflächen innerhalb der Batterie stattfinden“, erläutert Dr. René Hausbrand, Leiter der Arbeitsgruppe Lithium-Ionen-Batterien vom Fachgebiet Oberflächenforschung der TU Darmstadt.

Neue Erkenntnisse erhoffen sich die Darmstädter von einem Verfahren, das in der Batterieforschung bisher nur wenig angewandt wird: „Wir nutzen Reaktionskammern, die in ein Ultrahochvakuum-System integriert sind. Auf diese Weise können wir unter idealisierten Bedingungen die Reaktionen an Grenzflächen beobachten, also dort, wo unterschiedliche Materialien aufeinandertreffen“, so Hausbrand. Die Wissenschaftler tragen dabei Elektrolytmaterialien in hauchdünnen Scheibchen auf Kathodenmaterialien auf und beobachten die Reaktionen, die sie immer wieder unterbrechen können. Hierzu nehmen sie das Kathodenmaterial mit dem aufgetragenen Elektrolyten aus der Reaktionskammer heraus, transferieren es in das Ultrahochvakuum und analysieren die Grenzfläche. Die Forscher beobachten auf diese Weise, wie die Moleküle des Elektrolyten mit dem Material der Kathode reagieren, wie sich die chemische Struktur der Oberfläche der Kathode ändert und welche Moleküle sich dort absetzen und eine Schicht bilden.

„Wie genau diese manchmal nur wenige Moleküllagen dicken Ablagerungen auf der Kathode wirken, ist noch nicht vollständig geklärt. Sie werden aber eher als nachteilig für die Lebensdauer der Batterien angesehen, da sie den Innenwiderstand erhöhen“, erklärt Hausbrand. Die Leitfähigkeiten der einzelnen Komponenten für Lithium-Ionen und ihre Durchgängigkeit durch die verschiedenen Grenzflächen bestimmen wesentlich den Innenwiderstand der Batterie, der natürlich so gering wie möglich gehalten werden muss. Je kleiner der Innenwiderstand, desto größer die Leistungsfähigkeit. „Wenn wir genau wissen, was diese Schichten bewirken, können wir die Grenzfläche entsprechend optimieren“, blickt Hausbrand in die nahe Zukunft. So bringt der Physiker gemeinsam mit seinen Kollegen beispielsweise zum Schutz des Materials an der Kathode künstliche Schichten auf und misst die Kapazität über einen längeren Zeitraum.

Leistung braucht Oberfläche

Neben der Optimierung der Grenzflächen von Lithium-Ionen-Batterien haben die Darmstädter Wissenschaftler ihr Augenmerk auch auf Mikrobatterien gerichtet, deren Schichtdicke etwa einem Hundertstel eines Haares entspricht. Sie können in Mikrosystemen etwa in der Robotik zum Einsatz kommen. „Wegen ihrer kleinsten Abmessungen und der Art ihrer Herstellung können keine flüssigen Elektrolyte mehr verwendet werden wie bei den herkömmlichen Batterien, sondern nur noch feste Materialien“, berichtet Hausbrand. Welche Materialien als Festelektrolyte geeignet sind und wie sie am besten hergestellt werden, ist ein Thema, dem sich die Forscher auch gemeinsam mit Industriepartnern widmen. Die Leistungsfähigkeit der Mikrobatterien in Zukunft deutlich erhöhen könnte hierbei eine Strategie, die die Darmstädter zusammen mit ihren Partnern nun umsetzen wollen: Das Problem ist nämlich, dass leistungsfähige Batterien große Oberflächen benötigen – die es naturgemäß bei Mikrobatterien nicht gibt. „Wir wollen deshalb die Materialien auf Substrate aufbauen, die quasi wie eine Hügellandschaft aussehen“, so Hausbrand. Mit diesem Trick, sozusagen Hügel und Täler zu schaffen, kann die Oberfläche um ein Vielfaches erhöht werden, ohne die geometrische, das heißt die für das Auge sichtbare Oberfläche zu vergrößern. Allerdings benötigt man für dieses Vorgehen auch neue Verfahren, um die Materialien auf die Oberflächen aufzutragen. Hausbrand geht davon aus, dass entsprechende Prototypen in drei bis fünf Jahren erhältlich sein werden.

Das Fachgebiet Oberflächenforschung unter der Leitung von Prof. Dr. Wolfram Jaegermann ist Teil des Sonderforschungsbereichs „Elektrische Ermüdung von Funktionswerkstoffen“ und hat zusammen mit drei anderen Fachgebieten vom Bundesforschungsministerium im Rahmen des Konjunkturpakets II 2,5 Millionen Euro für seine Forschungen auf dem Gebiet von Lithium-Ionen- Batterien erhalten.

Pressekontakt
Dr. René Hausbrand
Fachgebiet Oberflächenforschung
Tel. 06151/16-70836
E-Mail: hausbrand@surface.tu-darmstadt.de

Jörg Feuck | idw
Weitere Informationen:
http://www.tu-darmstadt.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Neue Sensortechnik für E-Auto-Batterien
08.12.2016 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Siliziumsolarzelle des ISFH erzielt 25% Wirkungsgrad mit passivierenden POLO Kontakten
08.12.2016 | Institut für Solarenergieforschung GmbH

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: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie