Akku lädt in Sekunden

Eine Li-Ionen-Batterie in 10 Sekunden laden – das wollen MIT-Forscher mit einem Lithium-Eisen-Phosphat-Akku erreichen, dessen Kathode eine neuartige Oberflächenstruktur besitzt. Dadurch sollen sich die Li-Ionen schneller in das Material einlagern.

Die Entwicklung der beiden Materialwissenschaftler Prof. Cebrand Ceder und Byoungwoo Kang des Massachusetts Institute of Technology begann vor fünf Jahren mit einer Entdeckung. Damals stellten die Forscher bei Berechnungen der Ionen-Geschwindigkeiten bei der Einlagerung in das Elektrodenmaterial Lithium-Eisen-Phosphat fest, dass sich die Li-Ionen eigentlich sehr viel schneller bewegen sollten.

Diese Erkenntnis kam laut Ceder sehr überraschend. Waren sie doch bisher davon ausgegangen, dass sich Li-Ionen relativ langsam durch Elektrodenmaterialien bewegten, was die Ladezeiten und die Geschwindigkeit begrenzt, mit der solche Akkus Energie abgeben. Mit diesem neuen Wissen machte sich das Team auf die Suche nach der tatsächlichen Ursache für die langsamen Ionen-Bewegungen durch das Kathodenmaterial.

Weitere Berechnungen zeigten, dass sich die Li-Ionen nur dann mit hoher Geschwindigkeit durch das Material bewegen, wenn Tunnels sie von der Oberfläche des Materials in das Material hineinleiten.

Nach Angaben der Forscher bewegen sich Ionen, die sich direkt vor einem solchen Tunnel befinden, problemlos und mit hoher Geschwindigkeit durch den Tunnel in das Material hinein und lagern sich dort an. Befindet sich das Ion aber etwas versetzt zur Tunnelöffnung, bleibt der Effekt wirkungslos, da das Ion sich nicht zum Tunneleingang bewegen kann.

Rillen weisen den Weg

Aufbauend auf dieser Erkenntnis entwickelte das Team um Prof. Ceder eine neue Oberflächenstruktur für die Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode: Sie ist durchzogen von Rillen, die die Ionen gezielt zu den bestehenden Tunnels leitet. Die Wissenschaftler verglichen diese Struktur mit einer Umgehungsstraße um eine Stadt, die die Ionen zielgerichtet und schnellstmöglich zu ihrem Ziel – einer der Tunnel im Kathodenmaterial – leitet.

Mit dieser neuartigen Kathode haben die MIT-Wissenschaftler eine Batterie entwickelt, die sich in 10 bis 20 Sekunden komplett laden oder entladen lässt, anstatt der bisher notwendigen 6 Minuten. Außerdem erkannte das Forscherteam, dass sich das so strukturierte Kathodenmaterial weniger schnell verschleißt als konventionelle Kathoden. Dadurch könnten nach Annahme der Wissenschaftler kleinere und leichtere Li-Ionen-Akkus gebaut werden.

Da die Forscher kein neues Elektrodenmaterial entwickelten, sondern nur ein bestehendes modifizierten, könnte laut dem Leiter der Forschungsgruppe Prof. Ceder die Neuentwicklung bereits in drei Jahren kommerziell verfügbar sein.