Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanoforschung: Bessere Akkus mit Kohlenstoff-Nanoteilchen

11.04.2012
Die Zahl der mobilen Elektrogeräte vom Smartphone bis hin zum E-Bike steigt weltweit kontinuierlich an. Damit wächst auch der Bedarf für kleine, leichte und gleichzeitig leistungsfähige Akkus.

Nachdem die Entwicklung der sogenannten Lithium-Ionen-Akkus weitgehend ausgereizt ist, schaut die Fachwelt auf neue, vielversprechende Stromspeicher, die Lithium-Schwefel-Akkus. Um deren Realisierung voranzutreiben entwickelte ein Team um den LMU-Chemiker Professor Thomas Bein und Linda Nazar von der kanadischen Waterloo Universität poröse Nanopartikel aus Kohlenstoff, in denen der Schwefel so eingelagert ist, dass eine größtmögliche Leistungsfähigkeit des Akkus erreicht wird.

Die bisherigen Prototypen des Lithium-Schwefel-Akkus bestehen aus einer Lithium-Elektrode und einer Schwefel-Kohlenstoff-Elektrode, zwischen denen Lithium-Ionen aus-getauscht werden. Der Schwefel spielt in diesem System eine besondere Rolle: zum einen kann er im Idealfall zwei Lithium-Ionen pro Schwefelatom aufnehmen und ist daher wegen seines geringen Gewichts ein exzellenter Energiespeicher. Gleichzeitig ist er aber selber kaum leitfähig, so dass Elektronen beim Be- und Entladen nur schwer weitertransportiert werden können. Die Idee der Münchner Wissenschaftler ist es daher, Schwefel mit einer möglichst großen Oberfläche zur Elektronenaufnahme zu generieren und ihn gleichzeitig an leitfähiges Material zu koppeln.

Dazu entwickelten Thomas Bein, Mitglied bei der Nanosystems Initiative Munich (NIM), und sein Team ein Gerüst aus porösen Kohlenstoffnanopartikeln. In den 3-6 Nanometer großen Poren kann sich der Schwefel homogen verteilen. Dadurch liegen fast alle Schwe-felatome frei zugänglich, um Lithium-Ionen aufzunehmen. Gleichzeitig befinden sie sich in der Nähe des leitfähigen Kohlenstoffs.

„Der Schwefel ist in den neuartigen hochporösen Kohlenstoffnanoteilchen elektrisch sehr gut zugänglich und wird darin stabilisiert, so dass wir eine hohe Anfangskapazität von 1200 mAh/g und gute Zyklenstabilität erzielen konnten“, erklärt Thomas Bein. „Unsere Ergeb-nisse zeigen die große Bedeutung der Nano-Morphologie für die Leistungsfähigkeit neuer Konzepte zur Energiespeicherung.“

Die Kohlenstoff-Struktur verringert auch das sogenannte Polysulfid-Problem. Polysulfide entstehen als Zwischenprodukt der Elektrolyse und können das Laden und Entladen des Akkus beeinträchtigen. Der Kohlenstoff bindet das Polysulfid jedoch solange, bis dessen Umwandlung zum unschädlichen Dilithiumsulfid abgeschlossen ist. Zusätzlich konnten die Wissenschaftler das von ihnen entwickelte Kohlenstoff-Material mit einer dünnen Silizium-Oxid-Schicht überziehen, die vor Polysulfid schützt, ohne die Leitfähigkeit zu beein-trächtigen.

Mit ihrem neuem Material stellten die Wissenschaftler ganz nebenbei einen neuen Rekord auf: Unter allen mesoporösen Kohlenstoff-Nanopartikeln weist ihr Material nach aktueller Datenlage das bisher größte innere Porenvolumen (2,32 cm3/g) und die extrem hohe Ober-fläche von 2445 m2/g auf. Das entspricht ungefähr dem Volumen eines Zuckerwürfels und der Oberfläche von zehn Tennisfeldern – vielleicht werden ähnlich große Oberflächen bald in unseren Akkus stecken. NIM

Publikation:
“Spherical Ordered Mesoporous Carbon Nanoparticles with Extremely High Porosity for Lithium-Sulfur Batteries”.
Jörg Schuster, Guang He, Benjamin Mandlmeier, Taeeun Yim, Kyu Tae Lee, Thomas Bein and Linda F. Nazar. In: Angewandte Chemie, Article first pub-lished online: 1 MAR 2012

DOI: 10.1002/anie.201107817

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Bein
Chair of Physical Chemistry
Tel: 089/2180-77621
tbein@cup.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de
http://bein.cup.uni-muenchen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

nachricht Innovative High Power LED Light Engine für den UV Bereich
22.06.2017 | Omicron - Laserage Laserprodukte GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Im Focus: Forscher entschlüsseln erstmals intaktes Virus atomgenau mit Röntgenlaser

Bahnbrechende Untersuchungsmethode beschleunigt Proteinanalyse um ein Vielfaches

Ein internationales Forscherteam hat erstmals mit einem Röntgenlaser die atomgenaue Struktur eines intakten Viruspartikels entschlüsselt. Die verwendete...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

Forschung zu Stressbewältigung wird diskutiert

21.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt

22.06.2017 | Physik Astronomie

Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen

22.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Spinflüssigkeiten – zurück zu den Anfängen

22.06.2017 | Physik Astronomie