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Neues Elektrodenmaterial: Turbo für Lithium-Ionen-Zellen

Ein neues Nanokomposit-Material, das Forscher aus Jülich, München und Prag für Elektroden in Lithium-Batterien entwickelt haben, soll die Speicherkapazität, die Ladegeschwindigkeit und die Lebensdauer der Akkumulatoren deutlich steigern.

FZ Jülich Bildquelle: © Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing

Für unterschiedliche Anwendungen ist die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien immer noch zu gering und die Ladezeiten zu lang. Wissenschaftler arbeiten deswegen Möglichkeiten, die Energiedichten und Laderaten der Allround-Batterien weiter zu verbessern. »Ein wichtiger Faktor ist das Anodenmaterial«, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1).

»Anoden auf der Basis von Zinndioxid können im Prinzip viel höhere spezifische Kapazitäten erreichen – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen«, so Fattakhova-Rohlfing. »Reines Zinnoxid zeigt 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 ändert sich das Volumen der Anode, was dazu führt, dass sie zerbröselt.«

Nanopartikel enthaltende Hybridmaterialien sind die Antwort auf diese Herausforderung. Die Wissenschaftler entwickelten ein Material aus mit Antimon angereichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basisschicht aus Graphen. Die Graphenbasis dient der strukturellen Stabilität und erhöht die Leitfähigkeit des Materials. 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 steigt die Toleranz gegenüber Volumenänderungen, wodurch  die Lithiumzelle stabiler wird und hält länger.

»Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig«, erklärt Fattakhova-Rohlfing. »Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern kann 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«, sagt Fattakhova-Rohlfing. »Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau.« Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1000 Zyklen noch 77 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

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