Anzeige

„Heiliger Gral“ der Batterieforschung

Rebecca Raspe - energiezukunft.eu, 30.07.14
Wissenschaftlern der US-Universität Stanford ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, stabile und effiziente Lithium-Anoden zu entwickeln. Diese verfügen über eine Schutzschicht aus Kohlenstoff-Hohlkugeln, deren Wandstärke 20 Nanometer beträgt.

Weltweit arbeiten Forscher daran, kleinere, günstigere und effizientere aufladbare Batterien herzustellen, unter anderem auch, um die Reichweite von Elektroautos zu verbessern. Nun berichten Wissenschaftler der Universität Stanford im Fachjournal „Nature Nanotechnology“, ihnen sei gelungen, was die Forschung seit Jahrzehnten vergeblich versucht: die Herstellung einer reinen Lithium-Anode.

Batterien bestehen aus drei Basiskomponenten: einem Elektrolyten, einer Anode und einer Kathode. Gängige Batterien werden häufig Lithium-Batterien genannt, in Wirklichkeit handelt es sich jedoch um Lithium-Ionen-Batterien, in denen Lithium als Elektrolyt, jedoch nicht als Anode fungiert. Anoden bestanden bislang aus Graphit oder Silizium, eine Anode aus reinem Lithium ist eine Weltneuheit.

„Von sämtlichen Materialien, die man als Anode nutzen kann, besitzt Lithium das vielversprechendste Potenzial. Deswegen halten es manche für eine Art `heiligen Gral´. Es ist sehr leicht und verfügt über die höchste Energiedichte. Man erhält mehr Output pro Volumen und Gewicht, und somit kleinere und leistungsstärkere Batterien“, erklärt Yi Cui, Professor für Materialforschung und Ingenieurswesen und Leiter des Forschungsteams an der Universität Stanford.

Lösung für „Batteriefeuer“

Um Lithium als Anode verwenden zu können, müssen zahlreiche Herausforderungen gemeistert werden. Denn Lithium dehnt sich beim Laden stark und ungleichmäßig aus und verursacht dabei feine Risse auf der Oberfläche der Anode. Dadurch wiederum können Lithium-Ionen aus der Anode austreten und haarähnliche Auswucherungen bilden. Diese sogenannten Dendriten verkürzen die Lebensdauer der Batterie. Sie können aber auch einen Kurzschluss herbeiführen, der das sofortige Ende des Akkus bedeutet.

Zudem ist das Lithium sehr reaktiv – eine Lithium-Anode reagiert mit dem Elektrolyt, was die Lebensdauer des Akkus ebenfalls verringert. Anode und Elektrolyt produzieren außerdem Hitze, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Lithiumhaltige Batterien, auch die bereits im Einsatz befindlichen, können Feuer oder gar Explosionen hervorrufen – dies haben jüngst auch die „Batteriefeuer“ der Tesla-Elektroautos und des Boeing Dreamliners gezeigt.

Um diese vielfältigen Probleme in den Griff zu bekommen, haben die Forscher die Anode mit einer Schutzschicht aus Kohlenstoff-Nanohohlkugeln versehen, deren Wandstärke 20 Nanometer beträgt. Diese „Nanosphären“ sind miteinander verbunden und erzeugen eine bienenwabenartige Struktur. Um die Dicke eines einzigen menschlichen Haars zu erreichen, müssten rund 5.000 Nanosphären aufeinandergestapelt werden. Dennoch ist die Nanosphärenschicht in der Lage, alle unerwünschten Effekte des Lithiums zu unterbinden.

Nanosphäre bringt Effizienz-Schub

„Die ideale Schutzschicht für eine Lithium-Anode muss chemisch stabil sein, um Schutz gegen chemische Reaktionen mit dem Elektrolyten zu bieten. Auch muss sie mechanisch widerstandsfähig sein, um die starke Ausdehnung des Lithiums während des Ladevorgangs abfedern zu können“, erklärt Yi Cui. Die von dem Forscherteam entwickelte Nanosphäre verfüge über all diese Eigenschaften.

Die Effizienz einer brauchbaren Batterie muss 99,9 Prozent oder mehr betragen, über so viele Aufladezyklen wie möglich. Bisherige Anodenmodelle aus ungeschütztem Lithiummetall erreichten eine Effizienz von rund 96 Prozent, die jedoch nach etwa 100 Lebenszyklen auf 50 Prozent absank. Das neue Modell der Forscher aus Stanford erreicht 99 Prozent Effizienz – auch noch nach 150 Lebenszyklen.

„Bei der Batterien-Effizienz ist der Unterschied zwischen 96 und 99 Prozent gewaltig. Den angestrebten Wert von 99,9 haben wir zwar noch nicht erreicht, aber wir sind nahe daran, und das ist ein deutlicher Fortschritt zu allen anderen bisherigen Modellen. Wir gehen davon aus, dass wir nach weiteren Forschungsarbeiten eine stabile Lithium-Anode herstellen können, die das Herzstück der kommende Generation moderner Batterien wird“, so Yi Cui. Er und seine Kollegen hoffen dann Batterien herzustellen, deren Leistung viermal so hoch ist wie bisher. Ein Elektroauto beispielsweise könnte damit 300 Kilometer am Stück fahren und nur 25.000 US-Dollar kosten.

Rebecca Raspe – energiezukunft.eu

 

Kommentare (0)

Kommentar verfassen»

Kommentar verfassen

Aktuelles Magazin

Ausgabe Nr. 07 / 2020

Startschuss für die Langstrecke: Die deutsche Wasserstoffstrategie lässt noch viele Fragen offen

Bisherige Ausgaben »
Anzeige

Social Media

Anzeige