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21.03.2016

Tief in die Batterie geschaut

Lithium-Akkus maßschneidern

Ein deutsch-chinesisches Forscherteam ist auf die Nanoebene abgetaucht, um das Innenleben von Lithium-Akkus genauer zu untersuchen. Dabei haben sie nicht nur mehr Verständnis für bestimmte Funktionsweise gewonnen. Sie haben auch ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Akkus an bestimmte Anforderungen anpassen lassen.

Nanomaterial Lithium Akku
 - Mit Kohlenstoffnanoröhrchen und Metalloxiden in Molekülform können die Ulmer Forscher präzise auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnittene Batterien herstellen.
Mit Kohlenstoffnanoröhrchen und Metalloxiden in Molekülform können die Ulmer Forscher präzise auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnittene Batterien herstellen.
Universität Ulm

Kohlenstoffnanoröhrchen sind in der Photovoltaik längst ein probates Mittel, um die Ladungsträger zu den Elektroden abzuführen, um dadurch die Rekombinationsverluste zu vermindern. Diese Nanoröhrchen wirken für die Elektronen quasi wie ein Fahrstuhl zur Elektrode. Je mehr dort ankommen und unterwegs nicht verloren gehen, desto höher ist die Stromausbeute aus dem Halbleitermaterial und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle.

Auf die Nanoebene begeben

Jetzt soll auch in der Lithium-Ionen-Batterie das Kohlenstoffnanoröhrchen das Mittel der Wahl sein, um die physikalischen Grenzen zu überschreiten. Forscher der Universität Ulm haben zusammen mit Kollegen aus China ein Verfahren entwickelt, mit denen sich Lithium-Ionen-Akkus maßschneidern und so auf den ganz bestimmten Einsatzzweck auslegen lassen. Bisher ist es nur schwer zu verstehen, warum ein Akku gut funktioniert und der andere nicht, obwohl die gleichen Materialien verwendet werden. Um diesem Phänomen auf den Grund zu gehen, haben sich die Forscher aus Ulm und Peking auf die Nanoebene begeben. Dabei ist ein Verfahren herausgekommen, mit dem sich die Prozesse innerhalb eines Akkus nicht nur verstehen, sondern auch beeinflussen lassen.

Kürzere Ladezeiten anvisiert

Einer der Ausgangspunkte der Forschung war, Batterien für Elektroautos zu zu verbessern, so dass schnelleres Aufladen möglichen wird, ohne dass die Batterien beim Schnellladen Schaden nehmen. Dem stehen aber die Metalloxide im Wege. Diese werden in den meisten Lithium-Speichern als Kathodenmaterial verwendet. Diese haben sich aber als schlechte Stromleiter erwiesen, was das Laden einer Batterie zu einer langwierigen Angelegenheit macht.

Leitfähigkeit verbessern

Um die Leitfähigkeit dieser Metalloxide zu erhöhen, nutzen die Forscher aus Ulm und Peking Kohlenstoffnanoröhrchen. Auf diese kleben die Forscher Kationen. Aus diesen Kationen wiederum lassen die Forscher eine dicke Schicht aus Metalloxiden in Molekülform (Polyoxometallate – POM) aufwachsen. Bei diesem Verfahren können sie an verschiedenen Stellschrauben drehen, wie der gesamte Aufbau der Kathode aussieht. Auf molekularer Ebene können die Forscher so die Eigenschaften der Elektrode beeinflussen. „Zum einen lässt sich die Dicke der Polyoxometallat-Schicht per Ultraschall einstellen“, erklärt Carsten Streb vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Ulm. „Eine weitere Möglichkeit ist die chemische Veränderung der Kationen und der POM.“ Auf diese Weise haben die Forscher Batterien hergestellt, die sich schneller Be- und Entladen lassen, je nachdem wie die Anforderung durch den Einsatzzweck vorgegeben wird.

Teure Kohlenstoffröhrchen

Mit ihren Ergebnissen ist das deutsch-chinesische Forscherteam dem Ziel ein ganzes Stück näher gekommen, stabile und leistungsfähige Elektroden für Lithium-Speicher zu entwickeln und auf die jeweilige Anforderung maßzuschneidern. Auf dem Weg in die industrielle Batterieproduktion stehen noch einige Hindernisse, die vor allem mit den Kohlenstoffnanoröhrchen zu tun haben. Diese liegen in Pulverform vor. Bevor sie überhaupt verwendet werden können, müssen sie im Ultraschallbad voneinander getrennt werden. Danach müssen sie in ein gemeinsames Reaktionsmedium mit dem POM gebracht werden. Das eigentliche Problem aber ist der Preis. „Fünf Gramm Röhrchen, die für einen herkömmlichen Handyakku benötigt werden, sind wesentlich teurer als das gesamte Smartphone“, rechnet Carsten Streb vor. Mit Blick auf die Elektromobilität würden damit ein Problem durch ein anderes ausgetauscht. Zwar könnten dann Elektroautos schneller aufgeladen werden. Doch der Preis würde in eine Höhe steigen, die für einen Massenmarkt eine riesige Hürde bedeuten.

Ruß als Alternative?

Streb hat aber auch schon eine Lösung für dieses Problem im Auge. „Es muss ein günstiges Austauschmaterial wie Aktivkohle oder Ruß gefunden werden“, erklärt er. Ruß wird bisher schon in Kathoden der Lithium-Batterien verwendet. Als Leitruß hält er die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Metalloxid-Ionen untereinander und auch die Verbindung zur Elektrode. Die Alterung der Kathode ist dann vor allem darauf zurückzuführen, dass sich der Kontakt des Leitrußes zwischen den Molekülen und zur Elektrode langsam auflöst. (Sven Ullrich)