Elektromobilität Ultraschneller Nickel-Eisen-Akku entwickelt

Um die Zuverlässigkeit des Nickel-Eisen-Akkus zu zeigen, fuhr ein batteriebetriebener Bailey im Jahr 1910 über 1000 Meilen
Um die Zuverlässigkeit des Nickel-Eisen-Akkus zu zeigen, fuhr ein batteriebetriebener Bailey im Jahr 1910 über 1000 Meilen

Wissenschaftler der Stanford University haben die Lade- und Entladerate von Thomas Edisons Nickel-Eisen-Batterie etwa um den Faktor 1.000 verbessert. Dieses verbesserte System könnte in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, so wie von Edison ursprünglich erdacht.

Von Thomas Edison in den frühen 1900er Jahren entwickelt, um Elektrofahrzeuge anzutreiben, fielen Nickel-Eisen-Akkus Mitte der 1970er Jahre in Ungnade. Heute gibt es nur eine Handvoll Unternehmen, die so etwas fertigen, in erster Linie um überschüssigen Strom aus Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen zu speichern.

»Die Edison-Batterie ist zwar sehr langlebig, aber sie hat eine Reihe von Nachteilen«, urteilt Hongjie Dai, Professor für Chemie an der Stanford University. »Typischerweise dauert es Stunden, sie zu laden, und es lässt sich kein hoher Strom entnehmen.«

Nun haben Dai und seine Kollegen dramatisch die Leistung dieser hundert Jahre alten Technologie verbessert. Das Stanford-Team hat einen ultraschnellen Nickel-Eisen-Akku vorgestellt, der in etwa zwei Minuten vollständig geladen und in weniger als 30 Sekunden komplett entladen werden kann. Hailiang Wang, leitender Autor der Studie, freut sich, dass das Team es geschafft hat, die Lade- und Entladerate um fast den Faktor 1000 zu erhöhen.

Edison schuf den Nickel-Eisen-Akku als kostengünstige Alternative zur korrosiven Blei-Säure-Batterie. Die Grundkonstruktion besteht aus zwei Elektroden, einer Nickel-Kathode und einer Anode aus Eisen, die in einer alkalischen Lösung getaucht werden. »Wichtig ist, dass sowohl Nickel als auch Eisen reichlich vorkommende Elemente und noch dazu relativ ungiftig sind«, wie Dai bemerkt.

Kohlenstoff wird seit langem verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit in den Elektroden zu erhöhen. Um die Leistungsfähigkeit der Edison-Batterie zu verbessern, verwendet das Stanford-Team Graphen – nanometergroße Folien aus Kohlenstoff, die nur eine Atomlage dick sind – und umschlossene Kohlenstoff-Nanoröhrchen (multi-walled carbon nanotubes), jeweils bestehend aus etwa zehn konzentrischen, zusammengerollten Graphen-Schichten.

»In herkömmlichen Elektroden mischt man nach dem Zufallsprinzip die Materialien Eisen und Nickel mit leitfähigem Kohlenstoff «, erklärt Wang. »Wir ließen stattdessen Eisenoxid-Nanokristalle auf Graphen aufwachsen sowie Nickelhydroxid-Nanokristalle auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen.« Diese Technik erzeugt eine starke chemische Bindung zwischen den Metallteilchen und den Kohlenstoff-Nanomaterialien, was sich dramatisch auf die Leistung auswirkt. Koppelt man die Nickel- und Eisenteilchen mit dem Kohlenstoffsubstrat können elektrische Ladungen schnell zwischen den Elektroden sowie der externen Schaltung wechseln. Das Ergebnis ist eine ultraschnelle Version des Nickel-Eisen-Akkus, der sich in Sekunden laden und entladen lässt.

Die meisten Elektroautos wie der Nissan Leaf und der Chevy Volt basieren auf Lithium-Ionen-Akkus, die eine Menge Energie speichern können, aber in der Regel Stunden zum Laden brauchen. »Unser Akku wird wahrscheinlich nicht in der Lage sein, ein Elektroauto ganz alleine anzutreiben, weil die Energiedichte nicht groß genug ist«, meint Wang. »Aber sie könnte Lithium-Ionen-Akkus beim Beschleunigen und regenerativen Bremsen unterstützen.«

Einen wesentlichen Nachteil hat der Prototyp der Batterie: die mangelnde Zyklenfestigkeit. »Nach etwa 800 Zyklen fällt die Kapazität um etwa 20 Prozent«, gibt Dai zu bedenken.