Ob für Handy, Tablet oder Elektroauto: Lithium-Ionen-Akkus sind das Maß der Dinge. Ihre Speicherfähigkeit und Leistungsdichte sind der anderer wiederaufladbarer Batteriesysteme weit überlegen. Doch trotz aller Fortschritte halten Smartphone-Batterien nur einen Tag lang, Elektroautos brauchen Stunden zum Aufladen.

Wissenschaftler arbeiten deswegen Möglichkeiten, die Energiedichten und Laderaten der Allround-Batterien weiter zu verbessern. “Ein wichtiger Faktor ist das Anodenmaterial”, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1).

“Anoden auf der Basis von Zinndioxid können im Prinzip viel höhere spezifische Kapazitäten erreichen – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen”, so Fattakhova-Rohlfing.

“Reines Zinnoxid zeigt jedoch sehr schlechte Zyklenstabilität – die Speicherfähigkeit der Batterien nimmt stetig ab, und sie können nur wenige Male wieder aufgeladen werden. Mit jedem Auf- und Entladezyklus ändert sich das Volumen der Anode, was dazu führt, dass sie zerbröselt.”

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind sogenannte Hybridmaterialien oder Nanokomposite – Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissenschaftler entwickelten ein Material aus mit Antimon angereichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basisschicht aus Graphen. Die Graphenbasis dient der strukturellen Stabilität und trägt gleichzeitig zur Leitfähigkeit des Materials bei.

Die Zinnoxid-Teilchen haben nur eine Größe von weniger als drei Nanometern – also weniger als drei Millionstel Millimeter – und werden direkt auf das Graphen “aufgewachsen”. Durch die kleine Größe der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich außerdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen – die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

Dreifache Ladung in einer Stunde

“Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig”, erklärt Fattakhova-Rohlfing. “Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern kann als mit herkömmlichen Graphit-Anoden möglich wäre – und bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde sogar das Dreifache.”

“Bisher konnten so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden”, sagt Fattakhova-Rohlfing. “Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau.” Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1000 Zyklen noch 77 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

“Die Nanokomposit-Anoden können einfach und kostengünstig produziert werden. Und die angewandten Konzepte lassen sich auch für die Konstruktion anderer Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwenden“, erklärt Fattakhova-Rohlfing. „Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.”

Originalpublikation: 'Making Ultrafast High-Capacity Anodes for Lithium-Ion Batteries via Antimony Doping of Nanosized Tin Oxide/Graphene Composites'
Florian Zoller, Kristina Peters, Peter Zehetmaier, Patrick Zeller, Markus Döblinger, Thomas Bein, Zdenek Sofer, and Dina Fattakhova-Rohlfing
Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706529. DOI: 10.1002/adfm.201706529

Ansprechpartner:

Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing
Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Tel.: 02461 61-85051
E-Mail: d.fattakhova@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Pressereferentin
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2018/2018-06-08-tur… Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich