Ein Angebot von /

Lithium-Ionen-Akku – Effizienzsteigerung durch Nanokomposit

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

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.
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. (Bild: Clipdealer)

Einem Team von Materialforschern gelang die Herstellung eines Verbund-Werkstoffs, der sich speziell für Elektroden in Lithium-Batterien eignet. Das sogenannte Nanokomposit-Material könnte nicht nur die Speicherkapazität und Lebensdauer der Batterien deutlich steigern, sondern auch ihre Ladegeschwindigkeit.

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.

Verbesserte Toleranz gegenüber Volumenänderungen

"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.

"Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig", erklärt Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing.
"Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig", erklärt Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing. (Bild: FZ Juelich)

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."

Forschung an Kathodenmaterialien – Batterien mit 600 Kilometern Realreichweite bis 2025

Forschung an Kathodenmaterialien – Batterien mit 600 Kilometern Realreichweite bis 2025

18.06.18 - BASF will der E-Mobilität zum Durchbruch verhelfen. Gelingen soll das mit einer höheren Effizienz von Kathodenmaterialien. Der Forschungsfokus liegt auf der chemischen Zusammensetzung, der Form, Struktur sowie des Herstellungsprozesses. Bis 2025 soll die reale Reichweite auf 600 Kilometer steigen, die Batteriegröße auf die Hälfte reduziert und die Ladezeit auf 15 Minuten verkürzt werden. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45361806 / E-Mobility)