Neues Anodenmaterial Lithium-Ionen-Akkus deutlich schneller laden

Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrum Jülich forscht gemeinsam mit Wissenschaftlern aus München und Prag an Nanokomposit-Materialien für Lithium-Ionen-Akkus.
Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrum Jülich forscht gemeinsam mit Wissenschaftlern aus München und Prag an Nanokomposit-Materialien für Lithium-Ionen-Akkus.

Ein neuer Verbundwerkstoff könnte die Ladegeschwindigkeit von Akkus deutlich steigern. Die Entwicklung ist für verschiedenste Anwendungen interessant – von Mobilgeräten bis zu Elektroautos.

Einem Team von Materialforschern aus Jülich, München und Prag ist die Herstellung eines Nanokomposit-Materials gelungen, das nicht nur die Speicherkapazität und Lebensdauer von Akkus steigern könnte, sondern auch ihre Ladegeschwindigkeit.

Ein wichtiger Faktor für die Laderaten ist das Anodenmaterial. Anoden auf der Basis von Zinndioxid können viel höhere spezifische Kapazitäten erreichen als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden – und damit mehr Energie speichern. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen.

Reines Zinnoxid zeigt jedoch eine sehr schlechte Zyklenstabilität. Das hat zur Folge, dass die Speicherfähigkeit der Akkumulatoren stetig abnimmt. Die Akkus können also nur wenige Male aufgeladen werden. Mit jedem Lade- und Entladezyklus ändert sich das Volumen der Anode, was dazu führt, dass sie zerbröselt.

Die Zyklenstabilität optimieren

Durch die Verwendung von Hybridmaterialien oder Nanokomposite – also Verbundwerkstoffen, die Nanopartikel enthalten – könnte sich die Zyklenstabilität verbessern lassen. Deshalb entwickelten die Wissenschaftler ein Material aus mit Antimon angereicherten 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 nur eine Größe von weniger als 3 nm und werden direkt auf das Graphen aufgewachsen. Durch die kleine Größe der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich außerdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen. Die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

Dreifache Ladung in einer Stunde

»Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig«, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrum Jülich. »Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das 1,5-fache an Energie speichern kann als es mit herkömmlichen Graphit-Anoden möglich ist. Bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde schafft sie sogar das Dreifache.«

Bislang ließen sich so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreichen. Schnellere Ladezyklen führten zu einem schnellen Kapazitätsabbau. Die Antimon-dotierten Anoden dagegen besitzen nach 1000 Lade- und Entladezyklen noch 77 % ihrer ursprünglichen Kapazität.

Fattakhova-Rohlfing betont, dass die Nanokomposit-Anoden können einfach und kostengünstig produziert werden können und dass sich die von dem Forscherteam angewandten Konzepte auch für die Entwicklung anderer Anodenmaterialien verwenden lassen.