Nokia Bell Labs und AMBER Neuartiger Li-Ion-Akku verdoppelt Energiedichte

Paul King (links), einer der leitenden Forscher des Projekts bei Nokia Bell Labs, und Dr. Lorraine Byrne, Geschäftsführerin von AMBER, zeigen Prototypen des neuen Akkus.
Paul King (links), einer der leitenden Forscher des Projekts bei Nokia Bell Labs, und Dr. Lorraine Byrne, Geschäftsführerin von AMBER, zeigen Prototypen des neuen Akkus.

In einer zunehmend vernetzten Welt sind Akkus ein grundlegender Eckpfeiler. Und je höher deren Energiedichte ist, umso länger laufen Applikationen bei gleichen physischen Abmaßen. Nun haben Forscher der Nokia Bell Labs und von AMBER eine Akkustruktur vorgestellt, die die Energiedichte verdoppelt.

Durch den steigenden Leistungsbedarf von vernetzten Geräten wie Smartphones, Drohnen, Elektroautos und Robotern müssen Akkus sowohl eine höhere Leistung erbringen als auch eine länger laufen. Eine andere Anforderung an Akkus ergibt sich aus der sogenannten Energiewende, bei der der Anteil regenerativer Energieträger steigt: Energie muss effizient, schnell und kompakt gespeichert werden, denn die Stromerzeugung aus Wind- und Solaranlagen ist naturgegebenen Schwankungen unterworfen. Eine neue Studie von Wood Mackenzie zeigt, dass bei 100 Prozent erneuerbaren Energieträgern die Energiespeicherung voraussichtlich 25-mal höher sein wird als bei den aktuellen Energieträgern.

Forscher von Nokia Bell Labs und AMBER, dem SFI Centre for Advanced Materials and BioEngineering Research am Trinity College in Dublin, haben nun eine neue Akkustruktur entwickelt. Diese beschreiben sie in einem Bericht auf Nature Energy.

Um die Energiespeicherfähigkeit von Li-Ionen-Akkus zu erhöhen, ist deren flächenbezogene Kapazität zu maximieren. Dazu sind dicke Elektroden erforderlich, deren Kapazität in der Nähe der theoretischen spezifischen Kapazität liegt. Allerdings werden die erreichbaren Elektrodendicken durch mechanische Instabilitäten begrenzt, während die Leistungsfähigkeit bei großen Dicken durch die erreichbare Elektrodenleitfähigkeit begrenzt wird.

Die Forscher entwickelten einen separierten vernetzten Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Reihe von Lithium-Speichermaterialien (z.B. Silizium, Graphit und Metalloxid). Indem sie den Verbundwerkstoff anschließend härten, ist er nicht mehr anfällig gegenüber mechanischen Instabilitäten. Damit lassen sich Hochleistungselektroden mit Dicken von bis zu 800 μm fertigen. Diese weisen Leitfähigkeiten von bis zu 1×104 S/m und niedrige Ladungsübertragungswiderstände auf, sodass sie in kürzester Zeit geladen werden können und beinahe die theoretische spezifische Kapazität erreichen – selbst bei dicken Elektroden.

Die flächenbezogene Kapazität liegt bei bis zu 45 mAh/cm² bzw. 30 mAh/cm² für Anoden und Kathoden. Die Kombination von optimierten Verbundanoden und Kathoden ergibt Vollzellen mit flächenbezogenen Kapazitäten von 29 mAh/cm² und spezifischen bzw. volumetrischen Energiedichten von 480 Wh/kg und 1600 Wh/l.

Originalpublikation

Sang-Hoon Park, et al., High areal capacity battery electrodes enabled by segregated nanotube networks, Nature Energy, 17. Juni 2019, DOI:10.1038/s41560-019-0398-y