Forscher tunen Lithium-Ionen-Batterie effektiv

Experten der Rice University stabilisieren mit zwei Änderungen die empfindlichen Siliziumanoden. [...]

Anulekha Haridas zeigt Knopfzelle mit neuer Technik. (c) Jeff Fitlow – rice.edu
Anulekha Haridas zeigt Knopfzelle mit neuer Technik. (c) Jeff Fitlow – rice.edu

Wissenschaftler der Rice University haben Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Batterien in Form von Knopfzellen eine entscheidende Unart abgewöhnt. Beim Laden und Beladen dehnt sie sich aus und zieht sich wieder zusammen. Das führt dazu, dass sie nach wenigen Zyklen zerbröselt, die Batterie also am Ende ist.

Doppelte Kapazität erzielt

Die Ingenieurin Sibani Lisa Biswal und ihr Team, zu dem auch Anulekha Haridas gehört, veränderten zwei Dinge. Zum einen setzten sie kein festes Silizium ein, sondern eine Art Schaum. Zum anderen begrenzten sie die theoretisch mögliche Kapazität von 4.000 Milliamperestunden pro Gramm Batteriegewicht auf 1.000. Das ist das Zehnfache im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien.

„Das ist immer noch ein großer Fortschritt“, so Biswal. Solle die maximal mögliche Kapazität genutzt werden, bedeute das gewaltigen Stress für die Anode. Das Ende mit einem frühzeitigen Aus. Der Prototyp schaffte hunderte Lade- und Entladezyklen, ohne entscheidend an Kapazität zu verlieren. E-Autos hätten mit einem solchen Akku eine mehr als doppelt so große Reichweite, und der Einsatz zur Pufferung von Wind- und Solarstrom, der gerade nicht benötigt wird, wäre kostengünstiger.

Aluminiumhülle schützt effektiv

Die Forscher statteten einige Kathoden mit einem drei Nanometer dünnen Überzug aus Aluminium aus. Das gelang mit einer Bedampfungstechnik namens Atomlagenabscheidung im Vakuum. Dadurch wird die Kathode unempfindlich gegen Flusssäure, die sich bildet, wenn sie winzigen Mengen Wasser ausgesetzt ist. Die aggressive Säure zerstört die Kathode in kürzester Zeit. Wasser kann sich in flüssigen Elektrolyten befinden, die Anode und Kathode voneinander trennen.

Die Aluminiumhülle hat noch einen zweiten positiven Effekt. Die Ladezeit wurde deutlich kürzer. Das ist vor allem für den Einsatz in Fahrzeugen wichtig. Die Akzeptanz von E-Autos und anderen Fahrzeugen ist vor allem wegen der langen Ladezeiten so gering. Das höhere Tempo resultiere daraus, dass die Lithiumionen schneller durch die Aluminiumhaut gelangen.


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