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Schnellere Stromspeicher : Feintuning für die Allzweckbatterie

Dank besserer Elektroden könnte sich die Ladezeit einer Lithium-Ionen-Batterie bald verkürzen. Bild: dpa

Klassische Lithium-Ionen-Akkus sind noch längst nicht ausgereizt. Mit besseren und günstigeren Materialien lassen sich die Ladezeiten drastisch reduzieren.

          Lithium-Ionen-Akkus sind wegen ihrer hohen Energiedichte nach wie vor die wichtigsten wiederaufladbaren Stromquellen für Elektroautos, E-Bikes, E-Roller und für fast alle mobilen Kleingeräte. Allerdings haben die Energiespeicher ihre Schwächen. So dauert es oft Stunden, bis ein leerer Lithium-Akku wieder aufgeladen ist. Auch kommt es immer wieder vor, dass ein Lithium-Ionen-Akku Feuer fängt, weil sich der flüssige Elektrolyt entzündet. Ganz zu schweigen von den teuren und wertvollen Metallen, die insbesondere für die Kathoden benötigt werden. Mit neuen Konzepten und anderen Materialien versucht man, die Lithium-Ionen-Akkus sicherer, umweltschonender und billiger zu machen und gleichzeitig die Kapazität möglichst hoch zu halten.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Kopfzerbrechen bereitet vielen Batteriebauern die Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt. Letzteres steckt zusammen mit Mangan und Nickel in Form eines Mischoxids in der Kathode. Die Materialkombination sorgt letztlich für die hohe Lebensdauer, Energie- und Leistungsdichte der Batterie. Die wachsende Nachfrage nach Kobalt könnte zu einer Verknappung und Verteuerung des Metalls auf dem Rohstoffmarkt führen. Indem man den Nickelanteil erhöht, lässt sich die Kobaltmenge in den Kathoden verringern. Moderne Elektroden weisen nur noch einen Kobaltgehalt von wenigen Prozent auf. Doch das reicht vielen Forschern nicht. Sie würden am liebsten ohne das Metall auskommen.

          Vanadium ersetzt teures Wolfram

          Forscher um Nikhil Koratkar vom Rensselaer Polytechnic Institute in New York favorisieren Vanadiumdisulfid (VS₂) als Kathodenmaterial. Die Metall-Schwefelverbindung ist leitfähig und leicht. Das bewirkt eine hohe Energiedichte der Lithium-Akkus, senkt deren Gewicht und erlaubt eine kompaktere Bauweise. Allerdings ist reines Vanadiumdisulfid nicht sonderlich stabil. Lithium-Ionen, die von der Graphit-Anode zur Kathode wandern und sich dort einlagern, zersetzen das Vanadiumsulfid, was die Lebensdauer der Batterie verringert. Koratkar und seine Kollegen haben einen Weg gefunden, das Kathodenmaterial robuster zu machen. Sie überziehen Flocken aus Vanadiumdisulfid schon während der Herstellung mit Titandisulfid (TiS₂). Diese Hülle hält das Material zusammen, wenn Lithium-Ionen in die Zwischenräume dringen.

           Vanadium-Disulfid-Flocken mit und ohne Titandisulfid-Beschichtung (unten).

          Die ersten mit Titandisulfid überzogenen VS₂-Elektroden zeigten bereits eine hohe spezifische Kapazität (200 Amperestunden pro Kilogramm), vergleichbar mit den klassischen Elektroden aus Kobaltoxid. Dieser Wert blieb auch nach 400 Lade-Entlade-Zyklen fast unverändert, schreiben die Forscher in „Nature Communications“. Ein weiterer Vorteil: Eine Batteriezelle benötigte nur einige Minuten, bis sie wieder aufgeladen war. Noch stammen die Ergebnisse aus Laborversuchen. Die Forscher rechnen sich aber bereits Chancen für ihre Kathoden im Batteriesektor aus, da die verwendeten Materialien günstig sind und mit etablierten Verfahren hergestellt werden können.

          Andere Forscher wollen beim Bau von Kathoden vollständig auf jegliche Metalle verzichten. Sie setzen stattdessen auf organische Materialien. Diese hätten ebenfalls eine hohe Energiedichte, erlaubten schnelle Lade- und Entlade-Zyklen und seien darüberhinaus äußerst robust gegenüber mechanischer Beanspruchung, so die Argumente. Zudem seien organische Elektroden umweltverträglicher als Metalle. Sie könnten zudem leichter recycelt werden als die metallischen Pendants. Ein Team um Pavel Troshin vom Skolkovo-Institut in Moskau arbeitet mit Polyphenylamin, ein elektrisch leitendes Polymer, das sich wie ein Metall verhält. Seine Grundeinheit wird von drei aromatischen Ringen gebildet, in deren Zentrum ein Stickstoffatom sitzt.

          Die umweltfreundliche organische Batterie

          Wie Troshin und seine Kollegen in der Zeitschrift „Journal of Materials Chemistry A“  berichten, besitzen aus diesem Material gefertigte Kathoden eine ähnlich hohe Kapazität wie die beschichteten VS₂-Elektroden aus Amerika. Unschlagbar ist dagegen die Ladezeit. Innerhalb von nur einer halben Minute sei eine leere Batterie wieder einsatzbereit gewesen. Das organische Material sei, so die Forscher, für Lithium-Ionen ebenso geeignet wie für Natrium- und Kalium-Ionen. Allerdings reduziert sich bei den schwereren Alkalimetallen die Kapazität des Akkus, weil weniger Ionen in der Kathode Platz haben.

          Von Natrium als aktivem Material versprechen sich viele Forscher deutliche Verbesserungen. Das im Periodensystem auf Lithium folgende Alkalimetall weist ein ähnlich hohes elektrochemisches Potential auf und ermöglicht mit entsprechenden Elektroden theoretisch ebenfalls vergleichbar hohe Energiedichten. Zudem ist Natrium anders als Lithium reichlich in der Natur vorhanden etwa in Form von Salzen, so dass kein Rohstoffengpass zu befürchten ist.

          Allerdings sind Natrium-Ionen voluminöser, wodurch neue Elektrodenkonzepte gefragt sind. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie, des Helmholtz-Instituts Ulm und vom Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung  Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart wollen eine leistungsstarke Natrium-Ionen-Batterie für den Markt entwickeln. Auf Metalle in den Elektroden will man, so gut es geht, verzichten.

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