Lithium-Ionen-Akkus deutlich leistungsfähiger gemacht

4. Juli 2016, 19:35
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Kostengünstige Methode beschert Leistungssprung um 30 bis 50 Prozent und geringere Ladezeiten

Zürich – Moderne Handys sind stromhungrige Apparate, die zudem Jahr für Jahr immer flacher werden. Viel Platz bleibt da nicht mehr für die Akkus. Aus diesem Grund sind Wissenschafter seit langem auf der Suche nach neuen, leistungsfähigeren Materialien für wiederaufladbare Batterien. Schweizer Forscher vom Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich sind allerdings einen anderen Weg gegangen: Claire Villevieille, Juliette Billaud und ihre Kollegen haben ein einfaches und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu steigern. Dadurch hält nicht nur die Ladung länger, auch das Aufladen geht schneller.

Ob für Armbanduhren, Smartphones, Computer oder Autos, das Verfahren erlaube, Akkus für alle Anwendungsbereiche und -größen zu optimieren, schrieben im Fachblatt "Nature Energy". "Die meisten Forscher konzentrieren sich in diesem Wettbewerb auf die Entwicklung neuer Materialien", meint sich Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe Batteriematerialien am PSI.

Leistungssprung um bis zu 50 Prozent

"Wir haben geschaut, wie viel Potenzial noch in den bestehenden Komponenten steckt", so Villevieille. Indem die Forscherinnen die Grafit-Anode – also den Minuspol – einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie optimierten, konnten sie einen Leistungssprung erzielen.

"Unter Laborbedingungen konnten wir die Ladekapazität um das 1,6- bis 3-fache steigern und die Ladezeit halbieren", sagte die Forscherin. Diese Werte werde 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."

In ein bis zwei Jahren einsatzbereit

Alles, was es dazu brauche, gebe es bereits, betonte Villevieille. Wenn ein Hersteller sich dessen annähme, könnten solche Akkus in ein oder zwei Jahren einsatzbereit sein. "Außerdem ist das Verfahren auf andere Materialien und Anode-Kathode-Batterien übertragbar – etwa solche, die auf Natrium basieren."

Der Trick der Methode beruht auf der Fabrikation der Anode. Das Grafit – also der Kohlenstoff, aus dem es besteht – liegt üblicherweise in Form von dicht gepackten, winzigen Flocken vor. Ähnlich wie dunkelgraue Cornflakes, die kreuz und quer zu einem Riegel gepresst wurden, schrieben PSI und ETH.

Beim Aufladen eines Lithium-Ionen-Akkus wandern Lithium-Ionen von der aus Lithium-Metalloxid bestehenden Kathode (dem Pluspol) durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode und lagern sich im Grafit-Riegel ein. Beim Gebrauch fließen die Ionen wieder zurück zur Kathode, müssen aber in dem Wirrwarr aus Grafit-Flocken viele Umwege gehen. Das beeinträchtigt die Leistung der Batterie.

Ausgerichtete Grafit-Flocken

Wenn man die Flocken aber bereits bei der Herstellung der Anode vertikal ausrichtet, so dass sie parallel zueinander von der Elektrodenebene Richtung Kathode zeigen, lassen sich die Umwege jedoch großteils vermeiden. Genau das haben die Forscher Florian Bouville und Tommaso Magrini unter der Leitung von André Studart von der ETH Zürich gemacht.

Dafür griffen sie auf ein bekanntes Verfahren zur Herstellung synthetischer Komposit-Materialien zurück und ummantelten die Grafit-Flocken mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid. Mithilfe eines Magnetfelds brachten sie die nun magnetischen Teilchen dazu, sich auszurichten.

"Den Magneten lassen wir dabei rotieren", erklärt 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."

Die Lithium-Ionen könne so nicht nur leichter und schneller fließen, auch die Ladekapazität steigt, da es mehr Andockstellen für die Ionen gibt. "Bei alldem bleibt die chemische Zusammensetzung der Batterie die gleiche", betonte Villevieille. Die verbleibenden Nanopartikel aus Eisenoxid seien zu vernachlässigen und hätten auf die Funktion keinerlei Einfluss. (APA, red, 4.7.2016)

  • Die Grenzen von herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus sind noch nicht ausgeschöpft. Schweizer Forschern ist es gelungen, ihre Leistungsfähigkeit erheblich zu steigern.
    foto: george redgrave

    Die Grenzen von herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus sind noch nicht ausgeschöpft. Schweizer Forschern ist es gelungen, ihre Leistungsfähigkeit erheblich zu steigern.

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