Lithiumionen-Akkus: Längeres Leben mit Karbonblasen
„Wir haben ein Verfahren für poröse Hybrid-Elektroden entwickelt, bei denen sich Nanomaterialien gleichmäßig auf den inneren und äußeren Oberflächen von Karbonblasen anlagern“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Chengxin Wang, von der Sun Yat-Sen University in Millionenstadt Guangzhou. Dazu beschichtete das Team in einem ersten Schritt millionstel Meter kleine Zinkteilchen mit einem Kohlenstoffpulver. Aufgeheizt auf bis zu 800 Grad Celsius konnte das Zink danach beseitigt werden. Winzige Kohlenstoffblasen mit zahlreichen Poren und Falten blieben übrig. Diese Karbonblasen rührten die Forscher in eine alkoholische Flüssigkeit mit gelösten Metalloxiden ein. Für Minus- und Pluspol eines Akkus – Anode und Kathode in der Fachsprache – konnten Nanoteilchen aus Zinn- und Eisenoxid in den Hohlräumen der Karbonblasen fest andocken.
Diese Einlagerung von Metalloxid-Nanoteilchen bildet den Schlüssel für die gute Stabilität der Akkuelektroden. Denn während der Ladezyklen wandern Lithiumionen und Elektronen zwischen den Elektroden hin und her. Dabei dehnen sich abwechselnd die Elektroden aus und schrumpfen wieder. Dieses „Atmen“ eines Akkus setzt den Elektroden stark zu und kann sie sogar zerstören. Wang und Kollegen bekamen das Problem nun mit ihren Karbonblasen weitestgehend in den Griff. Erste Prototypen ihrer Lithiumionen-Akkus in der Größe von Knopfzellen wiesen sogar nach 1000 Ladezyklen noch über 90 Prozent ihrer ursprünglichen Ladekapazität auf.
Viel versprechend waren auch die absoluten Zahlen für die Ladekapazität. Mit Werten von mehr als 700 Milliamperestunden pro Gramm rangierten die Elektroden auf der Basis der Karbonblasen bei einem Vielfachen der heute im Handel erhältlichen Lithiumionen-Akkus. Nach einer schnellen Aufladung von wenigen Minuten sackte die Ladakapazität zwar deutlich ab, könnte aber immer noch mit derzeit genutzten Akkus konkurrieren. Diese Studie zeigt, dass Nanostrukturen für Akku-Elektroden nicht nur die Leistung deutlich erhöhen, sondern auch eine ausreichende Stabilität gewährleisten können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen muss nun das Verfahren für die Karbonblasen auf größere Produktionsmengen hochskaliert werden. Gelingt dieser Schritt, kann in einigen Jahren mit einer deutliche größeren Reichweite von Elektromobilen gerechnet werden. Wang und seine Kollegen sind außerdem überzeugt, dass ihre Karbonblasen auch zu besseren Elektroden in Brennstoffzellen und Superkondensatoren für hohe, kurz wirkende Ströme führen werden.