Einem Team von Materialforschern aus Jülich, München und Prag ist die Herstellung eines Verbund-Werkstoffs gelungen, der sich besonders gut für Elektroden in Lithium-Batterien eignet. Das sogenannte Nanokomposit-Material könnte die Ladegeschwindigkeit deutlich erhöhen. 

Ladegeschwindigkeit mit Zinnoxid-Nanoteilchen erhöhen

Die Speicherfähigkeit und Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Akkus sind der anderer wiederaufladbarer Batteriesysteme weit überlegen. Doch trotz aller Fortschritte entspricht gerade die Ladegeschwindigkeit noch nicht den Ansprüchen der Endverbraucher. Wissenschaftler arbeiten deswegen an Möglichkeiten, die Energiedichten und Laderaten der 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 als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden", 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."

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind sogenannte Hybridmaterialien oder Nanokomposite – Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich entwickelten ein Material aus mit Antimon angereichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basisschicht aus Graphen. Die Graphenbasis dient der strukturellen Stabilität und trägt gleichzeitig zur Leitfähigkeit des Materials bei. Die Zinnoxid-Teilchen haben nur eine Größe von weniger als drei Nanometern und werden direkt auf das Graphen "aufgewachsen". Durch die kleine Größe der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich außerdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen – die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

Dreifache Ladung in einer Stunde

"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 können so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden. Schnellere Ladezyklen führten bisher immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau. Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1.000 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“, so Fattakhova-Rohlfing weiter. „Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet." (sih)

Quelle: Forschungszentrum Jülich