Wissenschaftlern der Northwestern University ist ein Durchbruch in der Batterieforschung gelungen.

Eine neuartige Elektrode erlaubt es Lithiumionenbatterien, in Zukunft zehnmal länger ihre Spannung zu halten. Gleichzeitig verringert sich die Aufladezeit um ein Zehntel. Schon in drei bis fünf Jahren könnte die Erfindung auf den Markt kommen.

Wenn man Smartphones in Zukunft nur noch einmal pro Woche aufladen muss und dafür nur noch eine Viertelstunde benötigt, könnte das an jenem entwicklerischen Meilenstein liegen, den die Masterminds der in Illinois gelegenen Universität nun gelegt haben. Um diese Steigerung der Eigenschaften der weit verbreiteten Akkus zu erreichen, kombinierten sie das Wissen aus zwei Forschungsansätzen der Chemietechnik. Harold H. Kung, führender Autor des im Advanced Energy Materials veröffentlichten Aufsatzes, erklärt, dass die neuen Batterien auch im Dauereinsatz überlegen sind. Auch nach 150 Ladevorgängen ist dieser Lithiumionenakku immer noch fünfmal effektiver als jene, die heute im Handel erhältlich sind.

Energiespeicher auf Basis von Lithiumionen werden über eine chemische Reaktion ge- und entladen. Dies bringt zwei Limitierungen mit sich: Zum einen ist die Kapazität – der Zeitraum über den die Batterie die Spannung halten kann – abhängig von der Aufnahmefähigkeit von Anode und Kathode. Zum anderen entscheidet die Geschwindigkeit, in der die Ionen den Weg von einem Pol durch das Elektrolyt zum anderen Pol zurücklegen, über die Zeit, die zum Wiederaufladen benötigt wird. Der negative Pol herkömmlicher Akkus besteht aus mehreren Schichten Graphen. Diese können nur ein Lithiumatom je sechs Kohlenstoffatomen aufnehmen. Dazu verlangsamen die nur eine Atomschicht dicken, jedoch enorm langen Graphenblätter die Reise der Ionen zu ihrer Mitte, was in der Folge zu einem Stau an deren Rändern führt.

Verschiedene Wissenschafter haben bereits mit Silikon als Ersatzmaterial experimentiert. Dieses kann theoretisch vier Lithiumteilchen pro Atom beherbergen, dehnt sich jedoch beim Be- und Entladen rapide aus, was zur Fragmentierung und zum schnellen Verlust der Ladekapazität führt. An der Northwestern University hat man nun beide Zugangsweisen kombiniert: In der neu entwickelten Batterie stecken Silikon-Sandwiches zwischen den Graphenschichten. Dies hält die Volumenveränderungen des Silikons in Grenzen und erhöht die Aufnahmekapazität deutlich. Kleine Löcher im Graphen, die einen Durchmesser von 10 Nanometer bis 20 Nanometer aufweisen und über ein Oxidationsverfahren herbeigeführt werden, ermöglichen es den Lithiumionen, Abkürzungen zu nehmen und verbessern die Ladezeit dramatisch.

Bisher konzentrierten sich die Forscher ausschließlich auf die Anode, nun wollen sie die Vorgänge in der Kathode unter die Lupe nehmen. Sie arbeiten zudem an einem Elektrolytsystem, das Akkus dazu bringen soll, sich bei Überhitzung automatisch abzuschalten, ohne dabei funktionsuntüchtig zu werden. Nach Angaben des Forscherteams könnte die zehnfach bessere Batterie schon in drei bis fünf Jahren auf dem Markt erhältlich sein.                  -sad-

Quelle: pressetext.redaktion / G. Pichler