Schweizer Forscher dopen Lithium-Ionen-Akkus

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.

Leistungssprung aus Vorhandenem

«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 Forscherinnen die Grafit-Anode - also den Minuspol - einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie optimierten, konnten sie einen Leistungssprung erzielen.

30 bis 50 Prozent besser

«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.»

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.»

Wie dunkelgraue Cornflakes

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.

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 André Studart von der ETH Zürich gemacht.

Mit Magnet ausgerichtet

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.

«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 könne 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.