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Aktualisiert: 23.04.2015, 12:16 Uhr

Lithium-Ionen-Akkus Das Wundermaterial für elektrische Kraftpakete

Verwendet man dünne Graphitschichten als Elektrodenmaterial, erhält man deutlich leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien.

von Uta Bilow
© FAZ.NET Fahrvergnügen ohne Mühen: der leistungsfähige Lithium-Ionen-Akku macht`s möglich.

Lithium-Ionen-Akkus gelten als Kraftpakete unter den wiederaufladbaren Batterien. Sie haben ein vergleichsweise geringes Gewicht und weisen eine hohe Energiedichte auf. Deshalb nutzt man Lithium-Ionen-Batterien vor allem als Stromquellen für tragbaren Geräte wie Notebooks, Tablets, Digitalkameras und Akkuschraubern. Ein großes Anwendungsgebiet ist auch die Elektromobilität. Elektrofahrräder zum Beispiel werden mit solchen Energiespeichern betrieben, und auch Elektroautos sollen mit Lithium-Ionen-Batterien den entscheidenden Schub erhalten. Dafür ist allerdings noch eine höhere Leistungsfähigkeit gefragt, denn die in den aktuell verfügbaren Batterien gespeicherte elektrische Energie reicht nicht für weite Strecken aus. Zudem dauert das Wiederaufladen von leeren Akkus noch immer zu lang.

Ein Schlüssel zu besseren Lithium-Ionen-Batterien könnte dünne Graphitschichten, sogenanntes Graphen, sein. Chemiker von der University of California in Los Angeles haben speziell präpariertes Graphen als Elektrodenmaterial verwendet und damit eine Batterie erhalten, die über eine hohe Kapazität verfügt und sich durch eine hohe Stabilität über viele Be- und Entladezyklen auszeichnet.

Graphen für 3D-Gerüste

Die Anode einer Lithium-Ionen-Batterie besteht üblicherweise aus Graphit. In die Zwischenräume der dreidimensionalen Kohlenstoffverbindung lagern sich Lithium-Ionen ein, die beim Entladen von der Anode zur Kathode wandern. Bei Graphen handelt es sich im Gegensatz zu Graphit um eine zweidimensionale Substanz. Die Kohlenstoffatome sind in einer Wabenstruktur miteinander verknüpft und bilden so ein riesiges ausgedehntes Netz, das lediglich eine Atomlage dick ist. Graphen ist äußerst fest, gleichzeitig biegsam und vor allem aber besonders leitfähig. Deshalb versucht man schon länger, es als Anodenmaterial zu nutzen. Allerdings neigen die dünnen Schichten dazu, sich aneinanderzulagern, was ihre Fähigkeit mindert, Ionen einzulagern.

Den Wissenschaftlern um Xiangfeng Duan ist es gelungen, dieses Hindernis zu überwinden. Sie konnten Graphen in eine dreidimensionale Gerüststruktur überführen. Diese ist so stabil, dass sie sogar beispielsweise in Form eines Würfels frei stehen kann. Dazu behandelten sie eine Graphitprobe zunächst mit starken Oxidationsmitteln, wodurch sie Graphitoxid erhielten. Diese Substanz verarbeiteten sie in einem nächsten Schritt mit Wasser zu einem Hydrogel, einem dreidimensionalen Gerüst, in das Wassermoleküle eingelagert sind. Das Wasser ließ sich anschließend durch verschiedene Lösungsmittel ersetzen, etwa Ethanol oder durch sogenannte ionische Flüssigkeiten, ohne dass die Substanz an Stabilität einbüßte.

Ein überzeugender Prototyp

Um die Leistungsfähigkeit der lösungsmittelhaltigen Graphengerüste zu testen, konstruierten die Wissenschaftler eine Lithium-Knopfzelle. Das Graphengerüst wurde mit einer Elektrolytlösung getränkt und auf eine Kupferfolie gepresst. Eine gewöhnliche Kathode komplettierte die Anordnung, die sich als äußerst leistungsfähige Batterie erwies, wie Xiangfeng Duan und seine Kollegen in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“  berichten. Gegenüber gewöhnlichem Graphen und Graphit zeigte sich das Graphengerüst als deutlich überlegen, was die Kapazität und die Entladungsraten betraf. Nach 500 Be- und Entladezyklen wies das Material noch 93 Prozent der urspünglichen Kapazität auf. Entscheidend für die verbesserten Eigenschaften ist nach Aussagen der Wissenschaftler die poröse dreidimensionale Struktur. Wegen der vielen unterschiedlich großen Poren können die Lithium-Ionen rasch durch das Graphengerüst wandern.

Graphen ist erstmals von André Geim im und Konstantin Novoselov im Jahr 2004 an der University of Manchester hergestellt worden. Sechs Jahre später wurden die Entdecker mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften - leicht, flexibel, reißfest, leitfähig, temperaturstabil und transparent - ist Graphen nicht nur für Batterien interessant, sondern auch für weitere Anwendungen in der Energietechnik, beispielsweise als Membran für Brennstoffzellen, für effizientere Solarzellen und thermoelektrische Generatoren oder für Superkondensatoren, wie Francesco Bonaccorso vom Istituto Italiano di Tecnologia in Genua und seine Kollegen in einem in der Zeitschrift „Science“ erschienenen Übersichtsartikel ausführen.

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Die Europäische Union hat bereits vor zwei Jahren das Programm „Graphene Flagship“ gestartet, das zehn Jahre lang gefördert wird. In dem Leuchtturmprojekt sollen Forscher aus 17 Ländern gemeinsam mit der Industrie Graphen und verwandte Verbindungen für den Energiesektor erschließen, um das Material wirtschaftlich nutzen zu können. Neben der Erforschung von Anwendungsmöglichkeiten wird dabei auch nach Wegen gesucht, wie man Graphen in großen Mengen günstig erhalten kann. Denn noch immer ist es recht aufwendig und entsprechend teuer, größere Mengen von dieser besonderen Form von Kohlenstoff herzustellen.

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