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Materialforschung

Nanokomposit-Material könnte Effizienz von Lithium-Batterien deutlich steigern

| Redakteur: Alexander Stark

Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing vom Forschungszentrum Jülich
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Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing vom Forschungszentrum Jülich (Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau)

Einem Team von Materialforschern aus Jülich, München und Prag gelang die Herstellung eines Verbund-Werkstoffs, der sich besonders gut 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.

Jülich – 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.

Anoden auf der Basis von Zinndioxid können der Wissenschaftlerin zufolge im Prinzip viel höhere spezifische Kapazitäten erreichen – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden. Denn sie hätten die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen. Reines Zinnoxid zeige 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 ändere sich das Volumen der Anode, was dazu führe, dass sie zerbröselt, so Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1).

Erhöhte Leitfähigkeit und längere Haltbarkeit

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.

Dreifache Ladung in einer Stunde

Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon mache das Material außerordentlich leitfähig, erklärte Fattakhova-Rohlfing. Das mache die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern könne 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. Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau. Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1,000 Zyklen noch 77 % ihrer ursprünglichen Kapazität.

Die Nanokomposit-Anoden können einfach und kostengünstig produziert werden, so die Wissenschaftlerin. Und die angewandten Konzepte lassen sich auch für die Konstruktion anderer Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Fattakhova-Rohlfing hofft, dass die Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.

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