In Laptops, Digitalkameras und anderen Kleingeräten sind sie längst Standard: Lithium-Ionen-Akkus. Doch für Elektro-Autos kamen sie bisher nicht in Frage, da sie zu lange Ladezeiten beanspruchten. Jetzt haben Wissenschaftler einen neuen Typ von Lithium-Batterien entwickelt, der schnell lädt und hohe Leistungen bringt, wie sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science berichten.
Bisher werden in Elektro-Autos Nickel Metall-Hydrid-Batterien eingesetzt. Sie sind zwar schwer und unhandlich, können sich aber extrem schnell wiederaufladen, ein kurzer Stopp genügt. Lithium-Kobalt-Batterien dagegen, die bisher in Kleingeräten eingesetzt werden, bringen zwar mehr Leistung, sind aber relativ teuer, benötigen lange Ladezeiten und stellen bei größeren Akkus ein Sicherheitsrisiko dar, da sie nicht als sehr stabil gelten.
Ausgehend vom Lithium als Basis haben jetzt Wissenschaftler um Gerbrand Ceder, Professor für Materialforschung und Ingenieurswissenschaften am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Batterie entwickelt, die in nur zehn Minuten lädt und zudem deutlich günstiger ist als die bisher eingesetzten Autobatterien. Die neuen Lithium-Batterien könnten die ohnehin als potenzieller Boom-Sektor bewertete Hybrid-Elektro-Auto-Industrie revolutionieren, so die Einschätzung von Ceder.
Die neuen Batterien der Wissenschaftler enthalten statt Kobalt die beiden Metallkomponenten Mangan und Nickel. In dieser Materialkombination liegen die Stoffe normalerweise in einer „ungeordneten“ Kristallstruktur vor, in der Lithium- und Nickelionen sich gegenseitig anzogen, dabei aber gleichzeitig den Fluss von Lithium-Ionen behinderten und so die Ladezeiten verlängerten.
Daher suchten die Forscher nach einem Weg, die Materialstruktur gezielt zu optimieren. Sie entwickelten und erzeugten ein Material, in dem die einzelnen Komponenten wie in einer Art „Baumkuchen“ fein säuberlich in Schichten aufgereiht sitzen: Jeweils eine Nickel-Mangan-Schicht ist durch Odix-Ionen von einer Lithium-Schicht getrennt. Auf diese Weise können die Lithium-Ionen sich frei zwischen den Metallschichten bewegen.
Tatsächlich zeigten Versuche, dass sich so die Ladezeiten auf rund zehn Minuten drücken ließen – und damit rund zehn Mal kürzer sind als die von nicht modifizierten Lithium-Nickel-Mangan-Batterien. „Das bringt sie schon viel näher an die Zeitschiene, die wir für Hybrid-Auto-Batterien brauchen“, so Ceder.
Bevor das Material allerdings kommerziell genutzt werden kann muss der Herstellungsprozess noch optimiert und verbilligt werden. Doch nichtsdestotrotz hat auch die Industrie bereits ihr Interesse angemeldet.
(Massachusetts Institute of Technology, 17.02.2006 – NPO)
