Forscher verbessern Lithium-Ionen-Akkus

Alte Technik mit neuem Ansatz: Forscher haben durch Nano-Ordnung einen Weg gefunden die Ladekapazität von Lithium-Ionen Akkus zu verbessern: Dafür sortierten sie mithilfe eines Magneten die Graphitflocken im Inneren der Anode eines Lithium-Akkus. So können die Lithium-Ionen besser von Anode zur Kathode fließen, was den Energieverbrauch reduziert. Das würde die Akkus haltbarer machen.

Lithium-Ionen-Akkus haben so einige Tücken. Während man zum einen Angst haben muss, dass dieser in Flammen aufgeht, muss man sich zum anderen darum sorgen, dass dieser auch ausreichend Ladekapazität hat. Dabei haben Forscher die verschiedensten Ideen, um neue Akkus zu entwickeln.

Claire Vellieille vomPaul Scherrer Institut wählte dagegen einen anderen Ansatz: Sie fokussierte sich mit ihrem Team auf die Verbesserung der Ladekapazität der bestehenden Lithiumionen-Akkus.

Das Problem befindet sich in der Anode

Der springende Punkt ihrer Forschung ist die Fabrikation der Anode. Diese besteht aus Graphit in Form von dicht gepackten, winzigen Flocken, die keine richtige Ordnung vorweisen. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku nun aufgeladen wird, fließen die Lithium-Ionen als Ladungsträger von der Kathode durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode und lagern sich in der Graphitschicht ein.

Sobald man den Akku nutzt, fließen die Ionen wieder zurück zur Kathode. Beim Verlassen der Anode müssen die Ionen jedoch aus dem unstrukturierten Wirrwarrr aus Graphitflocken viele Umwege gehen. Das beeinträchtigt die Leistung der Batterie. Vellieille entwickelte deshalb mit ihren Kollegen eine Methode, die Graphitflocken in der Anode zu ordnen und so den Weg der Lithium-Ionen zu verkürzen. Dabei wendet sie folgendes Verfahren an: Sie will die Flocken mithilfe eines Magneten vertikal ausrichten, sodass alle Partikel parallel zueinander stehen.

Ordnet man die Graphitflocken in der Anode, haben die Lithium-Ionen kürzere Wege © Juliette Billaud, Florian Bouville, Tommaso Magrini/ Paul Scherrer Institut, ETH Zürich

Die Graphitflocken ordnen

Dafür haben die Forscher die Graphitflocken zunächst mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid ummantelt und diese in eine Ethanollösung gegeben. Diese Lösung wurde dann einem Magnetfeld von 100 Millitesla ausgesetzt. Das ist nicht stärker als das eines handelsüblichen Magneten, welcher zum Fixieren von Fotos an dem Kühlschrank dient.

Die ummantelten Ionen richten sich daraufhin vertikal aus und drehen ihre Flächen parallel zueinander. Damit sind sie fein säuberlich geordnet. Bleibt der Magnet während des Trocknens angeschlossen, behalten die Ionen ihre geordnete Struktur. Dadurch können die Lithium-Ionen schneller fließen und es besteht die Möglichkeit, dass mehr Ionen an die Graphitplättchen andocken können. Das bedeutet eine Verbesserung der Ladekapazität.

„Unter Laborbedingungen konnten wir die Ladekapazität teilweise verdreifachen“, berichtet Vellieille. „Diesen Wert wird man in kommerziellen Batterien wegen der Komplexität ihres Aufbaus womöglich nicht ganz erreichen. 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“. (Nature Energy, 2016; doi: 10.1038/nenergy.2016.97)

(Paul Scherrer Institut (PSI), 05.07.2016 – TKR)