Power-Batterien dank Graphengerüst

Poren für mehr Power: Neuartige Elektroden könnten den Weg für eine leistungsfähigere Generation von Batterien ebnen. Mit dem entwickelten Material aus „löchrigem“ Graphen gelingt der Spagat zwischen Stromleitung und Ionentransport. So lassen sich erstmals besonders hohe Kapazitäten ohne größere Leistungseinbußen erzielen, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Batterien könnten dank dieser Elektroden mehr Energie speichern und schneller geladen werden als bisher.

Bei der Verbesserung von Batterien werden oft nanostrukturierte Materialien eingesetzt, um die Leistung der Zellen zu erhöhen. So erreicht ein Turbo-Akku die 16-fache Ladegeschwindigkeit einer herkömmlichen Batterie, unter anderem dank der Verwendung von Graphen. Dieses Wundermaterial nutzen auch Hongtao Sun und seine Kollegen von der University of California in Los Angeles für ihr Batteriekonzept mit neuartigen Elektroden.

Eine Gratwanderung

Das Problem vieler moderner Batterie-Elektroden: Sie sind nur bei sehr geringer Beladung des Trägermaterials mit dem nanostrukturierten aktiven Speichermaterial leistungsstark. Denn während der Lade- und Entladeprozesse müssen sowohl Elektronen also auch elektrisch geladene Ionen durch das Elektrodenmaterial wandern.

Diese Wanderung wird erschwert, wenn man bei der Herstellung des Elektrodenmaterials „zu dick aufträgt“, sprich zu viel des aktiven Materials auf den Träger aufbringt. Eine Zwickmühle: Denn einerseits möchte man möglichst hohe Beladungen einstellen um viel Energie speichern zu können. Andererseits muss die Beladung klein gehalten werden, damit die Ionen noch ungehindert durch die Elektrode wandern und eine hohe Ladegeschwindigkeit ermöglichen.

Löcher für den Ionentransport

Suns Team hat nun eine Lösung parat: Die Wissenschaftler stellen ein löchriges Gerüst aus Graphen her, auf das sie das aktive Speichermaterial wie Niobpentoxid auftragen. Die vielen Poren in dem Graphengerüst sichern dabei den nahezu ungehinderten Transport der Ionen durch das Material. Gleichzeitig wird durch die ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit des Graphens der Elektronentransport gewährleistet.

Der besondere Clou: Durch gezieltes Fine-Tuning gelang es den Forschern, die Porengröße in dem 3D-Netzwerk so einzustellen, dass sich ein ideales Gleichgewicht zwischen stromleitenden Graphenbrücken und ionendurchlässigen Tunneln ergibt, wie sie berichten.

Bisher: Limit bei Beladung

Mit Hilfe ihrer löchrigen Graphen-Elektroden könnte das Team nun den Weg für die kommerzielle Nutzung von leistungsstarken neuen Batterien ebnen. Systeme wie nanostrukturiertes Niobpentoxid erzielen zwar bereits bis zu 100 Mal schnellere Ladegeschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Aber bisher waren diese Ergebnisse lediglich im Labormaßstab bei sehr geringen Beladungen mit dem aktiven Nanomaterial realisierbar.

Üblicherweise liegt das Limit der Beladung dieser Elektroden bei unter einem Milligramm Aktivmaterial pro Quadratzentimeter Trägeroberfläche. Die löchrigen Graphenelektroden ermöglichen Sun zufolge hingegen die zehnfache Beladung – ohne nennenswerte Einbußen im Ionentransport und der Leistungsfähigkeit der Batterien.

Ein wichtiger Schritt

Damit liegt die Beladung im Bereich herkömmlicher Lithiumionenakkus. Dort sind zehn bis 20 Milligramm Aktivmaterial pro Quadratzentimeter üblich. Batterien aus den beladenen porösen Graphitelektroden vereinen den Forschern zufolge somit hohe Kapazität durch höhere Beladungen mit den ausgezeichneten Ladeeigenschaften des nanostrukturierten Aktivmaterials. Dies sei ein wichtiger Schritt in Richtung kommerzieller Nutzung von hochleistungsfähigen Elektrodenmaterialien in kommerziellen Batterien getan, schreiben die Forscher. (Science, 2017; doi: 10.1126/science.aam5852)

(University of California, Los Angeles, 15.05.2017 – CLU)