Nano-Koaxialkabel verbessern Lithium-Ionen-Akkus

Forscher an der texanischen Rice University haben einen neuartigen Zugang entwickelt, um Lithium-Ionen-Akkus leistungsfähiger zu machen. Sie setzen auf Kohlenstoff-Nanoröhren und ein Metalloxid, die zu einer Art nanoskaligen Koaxialkabeln kombiniert werden.

Sie kommen als Elektrodenmaterial im Akku zum Einsatz. Das verspricht eine höhere Kapazität als bei derzeit handelsüblichen Modellen und auch eine höhere Lebensdauer. „Was wir hier zeigen, ist insofern einzigartig, da nicht nur die Komponenten der Elektrode wichtig sind, sondern auch die Art, wie sie verarbeitet werden“, mein Pulickel Ajayan, Professor für Maschinentechnik und Materialwissenschaften an der Rice University, gegenüber pressetext. Er sieht in der Arbeit ein interessantes Beispiel für Ingenieurskunst auf Nanoskalen.

Die Rice-Wissenschaftler haben Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Mantel aus Manganoxid praktisch als Nano-Koaxialkabel verarbeitet. „Dicht gepackte, geeignet ausgerichtete Bündel diese nanometerdicken Koaxialkabel sind ein vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien“, betont Ajayan. Denn für die Performance der Akkus ist wichtig, wie viel Lithium die Anode beim Laden aufnehmen kann und wie gut sie Strom leitet. „Die Nanoröhre ist hoch leitfähig und kann auch Lithium aufnehmen, während das Manganoxid eine sehr hohe Kapazität hat, aber schlecht leitet“, sagt Rice-Forscher Arava Leela Mohana Reddy. Erst in der Koaxial-Kombination offenbart sich das volle Potenzial der Materialien. Die Performance der Hybridelektrode sei um fast einen Faktor zehn besser als bei Elektroden aus ihren Komponenten, so Ajayan. Im Vergleich zu gängigen kommerziellen Akkus wiederum sei eine zwei bis drei Mal höhere Kapazität möglich.

Ein weiterer Bereich, in dem sich die Forscher durch die Nano-Koaxialkabel Vorteile erhoffen, ist die Anzahl an Ladezyklen, über die sie verwendbar bleiben. Denn es gibt bereits Ansätze, die noch höhere Kapazititätsgewinne für Lithium-Ionen-Batterien versprechen, beispielsweise mit Silizium-Nanodrähten (pressetext berichtete: http://pte.at/pte.mc?pte=071221014). „Diese sind allerdings intrinsisch nicht besonders gut in Sachen zyklischer Stabilität“, meint Ajayan. Genau in diesem Bereich sei die eigene Entwicklung vielversprechend, was auch langlebige Akkus in Aussicht stellt. „Wir versuchen, die Strukturen so zu bearbeiten und zu verändern, dass wir die bestmögliche Performance erreichen“, sagt Projektmitarbeiter Manikoth Shaijumon. Da praktisch beliebig Anordnungen der Nanoelemente möglich sind, halten die Forscher auch relativ dünne und einigermaßen biegsame Akkus für möglich. „Diese Technologie wäre geeignet, um flexible Elektroden auf größeren Skalen herzustellen. Man könnte eine flexible Matte aus solchen Koaxialkabeln nutzen“, meint Ajayan. Auch solche Ideen verfolgen die Rice-Forscher nun in ihren Laboren.