Forschungszentrum Jülich Turbolader für den Lithium-Ionen-Akku

Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing, Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing, Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)

Materialforscher aus Jülich, München und Prag haben einen Verbundwerkstoff hergestellt, der sich besonders gut für Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus eignet. Dieser könnte nicht nur deren Speicherkapazität und Lebensdauer deutlich steigern, sondern auch deren Ladegeschwindigkeit.

Ob für Smartphone, Tablet oder Elektroauto – Lithium-Ionen-Akkus sind das Maß der Dinge. Sie sind hinsichtlich Speicherfähigkeit und Leistungsdichte den anderen wiederaufladbaren Batteriesystemen weit überlegen. Doch trotz aller Fortschritte halten Smartphone-Batterien nur einen Tag lang, Elektroautos brauchen Stunden zum Aufladen. Wissenschaftler arbeiten deswegen Möglichkeiten, die Energiedichten und Laderaten der Allround-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 – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Anoden aus Kohlenstoff. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen«, so Fattakhova-Rohlfing. Weiter führt sie aus: »Reines Zinnoxid zeigt jedoch sehr schlechte Zyklenstabilität – die Speicherfähigkeit der Batterien nimmt stetig ab, und sie können nur wenige Male wiederaufgeladen werden. Mit jedem Auf- und Entladezyklus ändert sich das Volumen der Anode. Dies führt dazu, dass sie zerbröselt.«

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind sogenannte Hybridmaterialien oder Nanokomposite – Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissenschaftler 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 eine Größe von weniger als drei Nanometern und werden direkt auf das Graphen aufgewachsen. Durch die Größe der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich außerdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen – die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials.

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 konnten so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden«, sagt Fattakhova-Rohlfing. »Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau.« Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach tausend 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-Akkus verwenden«, erklärt Fattakhova-Rohlfing. »Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.«

Originalpublikation

Florian Zoller, Kristina Peters, Peter Zehetmaier, Patrick Zeller, Markus Döblinger, Thomas Bein, Zdenek Sofer, and Dina Fattakhova-Rohlfing, 'Making Ultrafast High-Capacity Anodes for Lithium-Ion Batteries via Antimony Doping of Nanosized Tin Oxide/Graphene Composites', Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706529. DOI: 10.1002/adfm.201706529