Forschern gelingt doppelte Leistung bei Lithium-Ionen-Akkus

Doppelte Leistung und eine schnellere Ladung, dass haben Schweizer Wissenschaftler des Paul Scherer Instituts PSI nun bei Lithium-Ionen-Akkus erreicht. Damit könnten sie eine Übergangslösung bis zur Entwicklung neuerer, noch stärkerer Akkutechnologie für Elektromotoren etc. gefunden haben.

 

Lithium-Ionen-Akkus sind mittlerweile in vielen Geräten verarbeitet: in Autos, Smartphones, Uhren oder auch Laptops. Sie sind zwar leistungsfähig, kommen aber, gerade im Bereich der Elektromobilität, schneller an ihre Grenze, als den meisten Autofahrern lieb ist. Hier setzten die Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts in Villingen zusammen mit der ETH Zürich an. Statt nach neuen Akkus zu forschen, haben sie nach Wegen gesucht, die Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Akkus zu steigern.

Bereits die Optimierung der Grafit-Anode in den Lithium-Akkus hat unter Laborbedingungen den Wissenschaftlern zufolge eine Verdreifachung der Ladekapazität geliefert. „Diesen Wert wird man in kommerziellen Batterien wegen der Komplexität ihres Aufbaus womöglich nicht ganz erreichen“, sagt Claire Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe Batteriematerialien am Paul Scherrer Institut PSI. „Aber die Leistung wird auf jeden Fall deutlich besser sein, vielleicht um 30 bis 50 Prozent – mit weiteren Experimenten werden wir da präzisere Prognosen liefern können.“

Der Grund: Der Grafit, aus dem die Anode der Batterie besteht, hat die Form winziger, dicht zusammengepackter Flakes – wie ein Müsliriegel aus Cornflakes. „Wenn ein Lithium-Ionen-Akku aufgeladen wird, wandern von der aus Lithium-Metalloxid bestehenden Kathode, dem Pluspol, Lithium-Ionen als Ladungsträger durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode und lagern sich in dem Grafit-Riegel ein.“ Wird die Batterie genutzt, fließen die Ionen wieder in die Kathode zurück. Da die Ionen durch die unsortierten, dicht gepackten Grafitflocken hindurch müssen, verringert das die Leistung der Batterie. Die Forscher haben deshalb die Ionen-Flakes vertikal ausgerichtet, so dass sie parallel zueinander liegen:

Dafür werden die Grafit-Flakes zunächst mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid ummantelt und in eine Ethanolsuspension gegeben. Sie sind dadurch magnetisch und schwimmen in Alkohol. Im Anschluss wird die Suspension einem Magnetfeld von 100 Milli-Tesla ausgesetzt, kaum stärker als ein handelsüblicher kleiner Magnet. „Den Magneten lassen wir dabei rotieren“, so André Studart von der ETH Zürich. So würden sich die Plättchen nicht nur alle vertikal ausrichten, sondern sie drehen auch ihre Flächen parallel zueinander. „So sind wirklich alle fein geordnet und die Wege für die Lithium-Ionen so kurz wie möglich.“ Selbst nach Trocknen der Suspension bleibt die neue Orientierung der Flakes erhalten, wenn der Magnet bis zum Ende des Trockenvorgangs angeschlossen ist.

Diese Methode führt dazu, dass die Ionen schneller und leichter durch die Ionen-Flakes fließen können. Zusätzlich dazu können aber auch insgesamt mehr Ionen andocken. Die Forscher schätzen, dass die überholten Akkus in ein oder zwei Jahren mithilfe von einem Hersteller einsatzbereit wären. Der Vorteil: Das Verfahren sei günstig und ist auch für alle Größen anwendbar. Selbst eine Anwendung bei natriumbasierten Batterien wäre denkbar.

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