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Juliette Billaud, Mit-Erstautorin der neuen Studie, und Claire Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe für Batteriematerialien am Paul Scherrer Institut.
 

Revolutionär: 50% mehr Kapazität bei 1/2 Ladezeit

Dank eines neuen Verfahrens wird die Ladung von Lithium-Ionen-Akkus wesentlich gesteigert. Das Verfahren verbessert auch die Ladezeit deutlich.

05.07.2016 APA

Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich haben ein einfaches und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu steigern. Dadurch hält nicht nur die Ladung deutlich länger, auch das Aufladen geht schneller.

Von der Uhr bis zum Auto

Ob für Armbanduhren, Smartphones, Computer oder Autos, das Verfahren erlaube, Akkus für alle Anwendungsbereiche zu optimieren, schrieben das Paul Scherrer Institut (PSI) und die ETH Zürich am Montag in einer gemeinsamen Mitteilung. Die Methode, die die Forschenden im Fachblatt „Nature Energy“ vorstellen, lasse sich in der Größe skalieren.

Forscher optimieren Minuspol

„Die meisten Forscher konzentrieren sich in diesem Wettbewerb auf die Entwicklung neuer Materialien“, ließ sich Claire Villevieille, Leiterin der Forschungsgruppe Batteriematerialien am PSI, in der Mitteilung zitieren. Sie und ihre Mitarbeiterin Juliette Billaud sind gemeinsam mit Kollegen von der ETH Zürich einen anderen Weg gegangen. „Wir haben geschaut, wie viel Potenzial noch in den bestehenden Komponenten steckt“, so Villevieille. Indem die Forscherinnenden Minuspol – einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie optimierten, konnten sie einen Leistungssprung erzielen.

Die Grafitflocken in einer herkömmlichen Anode liegen kreuz und quer. Die Lithiumionen müssen Umwege gehen. Richtet man die Flocken vertikal und parallel zueinander aus, haben die Ionen kürzere Wege.
© Bild: Juliette Billaud, Florian Bouville, Tommaso Magrini/Paul Scherrer Institut, ETH Zürich

Die Grafitflocken in einer herkömmlichen Anode liegen kreuz und quer. Die Lithiumionen müssen Umwege gehen. Richtet man die Flocken vertikal und parallel zueinander aus, haben die Ionen kürzere Wege.

50% mehr Kapazität bei 1/2 Ladezeit

„Unter Laborbedingungen konnten wir die Ladekapazität um das 1,6- bis 3-fache steigern und die Ladezeit halbieren“, sagte die Forscherin. Diese Werte werde man in kommerziellen Batterien wegen der Komplexität ihres Aufbaus womöglich nicht ganz erreichen. Aber die Leistung wird auf jeden Fall deutlich besser sein, vielleicht um 30 bis 50 Prozent.“

In 1 bis 2 Jahren einsatzbereit

Alles, was es dazu brauche, gebe es bereits, betonte Villevieille. Wenn ein Hersteller sich dessen annähme, könnten solche Akkus in ein oder zwei Jahren einsatzbereit sein. „Außerdem ist das Verfahren auf andere Materialien und Anode-Kathode-Batterien übertragbar – etwa solche, die auf Natrium basieren.“

Der Trick der Methode

Der Trick der Methode beruht auf der Fabrikation der Anode. Das Grafit – also der Kohlenstoff, aus dem es besteht – liegt üblicherweise in Form von dicht gepackten, winzigen Flocken vor. Ähnlich wie dunkelgraue Cornflakes, die kreuz und quer zu einem Riegel gepresst wurden, schrieben PSI und ETH. Beim Aufladen eines Lithium-Ionen-Akkus wandern Lithium-Ionen von der aus Lithium-Metalloxid bestehenden Kathode (dem Pluspol) durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode und lagern sich im Grafit-Riegel ein. Beim Gebrauch fließen die Ionen wieder zurück zur Kathode, müssen aber in dem Wirrwarr aus Grafit-Flocken viele Umwege gehen. Das beeinträchtigt die Leistung der Batterie.

PSI: Rampe statt Stufe: Der Schlüssel für schnelles Aufladen einer Lithiumionen-Batterie

Flocken ordnen

Wenn man die Flocken aber bereits bei der Herstellung der Anode vertikal ausrichtet, so dass sie parallel zueinander von der Elektrodenebene Richtung Kathode zeigen, lassen sich die Umwege jedoch Großteils vermeiden. Genau das haben die Forscher Florian Bouville und Tommaso Magrini unter der Leitung von Andre Studart von der ETH Zürich gemacht. Dafür griffen sie auf ein bekanntes Verfahren zur Herstellung synthetischer Komposit-Materialien zurück und ummantelten die Grafit-Flocken mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid. Mithilfe eines Magnetfelds brachten sie die nun magnetischen Teilchen dazu, sich auszurichten.

Wie Bücher im Regal

„Den Magneten lassen wir dabei rotieren“, erklärt André Studart in der Mitteilung. „Denn dann richten sich die Plättchen nicht nur alle vertikal aus, sondern sie drehen auch ihre Flächen parallel zueinander – wie Bücher im Regal. So sind wirklich alle fein geordnet und die Wege für die Lithium-Ionen so kurz wie möglich.“ Die Lithium-Ionen können so nicht nur leichter und schneller fließen, auch die Ladekapazität steigt, da es mehr Andockstellen für die Ionen gibt. „Bei alldem bleibt die chemische Zusammensetzung der Batterie die gleiche“, betonte Claire Villevieille. Die verbleibenden Nanopartikel aus Eisenoxid seien zu vernachlässigen und hätten auf die Funktion keinerlei Einfluss.

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