Deutschen Forschern ist es gelungen, durch eine neuartige Batterie-Architektur die Energiedichte in Akkumulatoren markant zu erhöhen.
Forschung an neuen Speichermaterialien: Kohlenstoffnanoröhren erleichtern die elektrische Leitung (Bild: PD)
Die heutige Batterietechnik stösst an ihre Grenzen. «Mit herkömmlichen Lithium-Ionen Batteriematerialien sind derzeit nur noch geringe Verbesserungen zu erwarten», meint Maximilian Fichtner der die Gruppe Energiespeicherung am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) leitet. Um einen wirklichen Sprung in der Leistungsfähigkeit zu erreichen, mussten daher ganz neue Wege, sowohl bei der Entwicklung der Materialien als auch bei der Batteriearchitektur, beschritten werden.
Daher setzen Fichtner und sein Team auf völlig neue Eisen-Kohlenstoff-Materialien, mit deren Hilfe sich deutlich mehr Energie auf kleinem Raum speichern lässt. Das Problem: Die bisher beschriebenen Materialien sind nicht zyklenstabil und die Speicherkapazität sinkt schnell ab, wenn die Batterie mehrmals be- und entladen wird.
Am Institut für Nanotechnologie des KIT wurde nun ein neuer Ansatz für eine Synthese von Eisen-Kohlenstoff-Speichermaterialien entwickelt. Bei dem zum Patent eingereichten Verfahren werden unterschiedliche Ausgangsmaterialien mit einem Lithiumsalz vermischt und dann gemeinsam erwärmt. Dabei bildet sich eine komplett neue Nanostruktur aus, die zusätzlich von Kohlenstoffdrähten durchzogen ist. Dadurch entstehen nanoskalige Speichereinheiten und Leiterbahnen quasi in einem Schritt.
Die spezifische Kapazität des neuen Materials, also die Fähigkeit, Energie zu speichern, liegt heute schon beim Doppelten der derzeitigen Batterien. «Dies ist weltweit das erste Beispiel für ein stabiles Konversionsmaterial, mit dessen Hilfe sich deutlich mehr Elektronen und Lithium auf kleinem Raum 'packen' lassen als bei herkömmlichen Verfahren», betont Fichtner. Die Herstellung sei einfach und kostengünstig und die hohe Kapazität der Eisen-Kohlenstoffelektrode bleibe sehr lange erhalten, so der Forscher weiter. Das sei ein enormer Fortschritt gegenüber den bisherigen Materialien. «Gelingt es uns, das Potenzial dieses neuen Materials voll auszuschöpfen, können wir die Speicherdichte von Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor Fünf verbessern», so Fichtner. Hauptmotivation der Karlsruher Wissenschaftler ist der Bau leistungsfähiger Akkus für Elektrofahrzeuge. Doch die Grundlagenforschung dürfte auch dereinst Smartphone- und Notebook-Batterien zu Gute kommen.
