Geschrieben von Luisa Filipponi, PhD, wissenschaftliche Beraterin von NANO Channels
Lithium-Ionen-Akkus sind sehr weit verbreitet und kommen in vielen Geräten der Unterhaltungselektronik zum Einsatz, beispielsweise in Mobiltelefonen und Digitalkameras. Wie du wahrscheinlich weißt, halten Lithium-Ionen-Akkus nicht ewig. Der Akku „stirbt“ nach längerer Anwendungszeit: er hat eine bestimmte „Lebensdauer“. Diese Lebensdauer hängt von mehreren Faktoren ab: ein entscheidender Faktor ist dabei die Elektrode bzw. Anode zum Laden und Entladen des Akkus, die meistens aus Graphit besteht. Jedes Mal, wenn der Akku geladen wird, werden Lithiumionen in den Poren der Graphitelektrode eingelagert, die sich dabei ausdehnen; und wenn der Akku verwendet wird, werden die Ionen freigesetzt und die Poren ziehen sich wieder zusammen. Dieses wiederholte Ausdehnen und Zusammenziehen führt auf Dauer zu Ermüdungserscheinungen an der Graphitelektrode und schließlich zu Rissen, wodurch die Akkuleistung sinkt.
Electric car
Ein weiterer wichtiger Faktor bei Lithium-Ionen-Akkus ist ihre Kapazität: Je mehr Ionen in die Anode eingelagert werden können, desto höher ist die Kapazität des Akkus. Eine Alternative zu Graphit ist Silizium, das beste Material zum Speichern von Lithiumionen: Im Vergleich zu Graphit, kann Silizium die zehnfache Menge an Lithiumionen aufnehmen, wobei es allerdings bei voller Ladung auf mehr als das Dreifache seines Volumens aufquillt. Dieses Ausmaß an Quellung führt leicht zur Unterbrechung der elektrischen Kontakte in der Anode.
Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory, das dem US-Energieministerium unterstellt ist, haben kürzlich eine funktionierende Methode angekündigt, bei der Lithium in Siliziumpartikeln eingelagert wird und die Elektrode weiterhin leitend und stabil bleibt. Dieser neuartige Aufbau mit einem leitfähigen Polymer führt zu einer starken Bindung der Siliziumpartikel mit Lithium-Einlagerung. Wenn der Akku geladen wird, dehnt sich das gesamte System (Polymer mit gebundenen Partikeln) um mehr als das Dreifache seines ursprünglichen Volumens auf, um beim Entladen wieder zu schrumpfen. Diese neuartige Elektrode kann im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau die achtfache Menge an Lithium aufnehmen. Darüber hinaus hat der Akku selbst nach einem Jahr der Erprobung und Hunderten von Lade- und Entladezyklen seine Energiekapazität beibehalten. Die neue Anoden bestehen aus kostengünstigen Materialien und ihre Herstellung ist kompatibel mit den standardmäßigen Fertigungstechniken für Lithium-Ionen-Akkus. Das sind großartige Neuigkeiten für die Zukunft der Elektronik und ist besonders wichtig für die Zukunft von Elektroautos, die auf robuste und zuverlässige Akkus angewiesen sind.
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