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Bessere Batterien dank Nanotech

Materialforschung. - Ob in Laptop, Handy oder Elektroauto – sie stecken überall drin: Lithiumakkus, die derzeit leistungsfähigsten Batterien. Doch gerade für Elektroautos wünscht man sich noch bessere Akkus, um die Reichweite der Gefährte signifikant zu steigern. Eine wichtige Rolle könnte dabei die Nanotechnologie spielen. Aktuelle Forschungsprojekte wurden auf der Konferenz "Downscaling Science" vorgestellt, die heute in Hannover zu Ende geht.

Von Frank Grotelüschen | 14.12.2012
    Ein paar Stunden lang hat man am Laptop gearbeitet, hat Texte geschrieben und Tabellen kalkuliert. Doch dann gibt der Computer einen Warnton von sich, den man nur ungern hört: Denn er signalisiert: Gleich ist der Lithium-Akku leer, der Rechner läuft auf Reserve. Dabei könnte ein Lithium-Akku im Prinzip deutlich länger laufen. Seine theoretische Kapazität nämlich liegt um das Zweieinhalbfache höher als das, was die Akkus im Moment schaffen. Aber:

    "Diese theoretischen Grenzen erreicht man in keiner Batterie","

    sagt Angelika Heinzel, Professorin für Energietechnik an der Universität Duisburg-Essen. Deshalb ist noch Luft nach oben, und die Forscher versuchen, immer näher an das theoretische Limit heranzukommen – und zwar mit Hilfe der Nanotechnologie. Ihr Ansatzpunkt ist die Anode, das ist eine der beiden Elektroden des Akkus. Sie besteht aus Graphit, also aus Kohlenstoff. Lädt man den Akku auf, wandern geladene Lithiumteilchen, sogenannte Ionen, in den Graphit hinein. Und je mehr Lithium-Ionen in der Anode Platz finden, umso mehr Energie wird gespeichert und umso größer ist die Kapazität des Akkus. In den heutigen Akkus bestehen die Anoden aus mikrometergroßen Graphitstückchen. Es sind Riesengebilde, zumindest aus der Sicht eines Lithium-Ions. Die Folge, so Heinzel:

    ""Ins Innere eines großen Partikels kommen sie dann einfach nicht hinein. Wenn es sich um kleine Partikel handelt, kommt man an die optimale Beladung näher heran."

    In viele kleine Kohlenstoff-Partikel können mehr Lithium-Ionen eindringen als in wenige große – so das Kalkül. Angelika Heinzel setzt dabei nicht auf nanometerkleine Kohlenstoff-Kügelchen, sondern auf hauchdünne Kohlenstoff-Plättchen, sogenanntes Graphen, das lose aufeinandergeschichtet ist zu mehreren Lagen.

    "Und da kann man natürlich das Lithium sehr schön eindiffundieren lassen in diese Schichten von dünnen Graphen-Lagen."

    Unter dem Spezialmikroskop sehen die Graphen-Lagen ähnlich aus wie ein Blätterteig. Da sie viel luftiger sind als der deutlich kompaktere Graphit, können mehr Lithium-Ionen in die Anode eindringen. Die Kapazität steigt, zumindest bei den bisherigen Experimenten im Labor.

    "Die Resultate sind vielversprechend. Zehn bis 20 Prozent waren schon in Vorversuchen möglich. Natürlich erwarten wir, dass es noch weitere Steigerungen gibt."

    Hinzu kommt, das haben unlängst Forscher aus den USA entdeckt, dass die Lithium-Ionen deutlich schneller in die Anode eindringen als bei den heutigen Akkus. Und damit ließen sich die Ladezeiten für Laptops drastisch verkürzen – aus einer Stunde würden womöglich nur noch 10 Minuten. Marktreif ist die neue Nanotechnik allerdings noch nicht. Der Grund: Graphen ist bislang viel zu teuer, sagt Angelika Heinzel.

    "Die Hauptprobleme sind Syntheseverfahren: Wir stelle ich das Graphen her? Da den Preis zu reduzieren, dass es für die Batterietechnik kosteneffizient möglich ist."

    Und ist dieser Stolperstein erst mal aus dem Weg geräumt, dürfte der Laptop der Zukunft deutlich seltener seinen Batterie-Warnton ertönen lassen. Eine andere Idee, womöglich eines Tages noch effizienter: Gar kein Graphit als Schwamm für die Lithiumionen verwenden, sondern Silizium. Heinzel:

    "Silizium hat theoretisch eine sehr hohe Speicherdichte für Lithium. Und das versucht man durch Nanotechnologie in den Griff zu bekommen: Wenn die Partikel sehr klein sind, ist der mechanische Stress kleiner."

    Vereinfacht gesagt sind die Nanoteilchen schlicht zu klein, als dass sich in ihnen größere mechanische Spannungen aufbauen könnten. Dadurch sollte eine Anode aus Nanosilizium selbst dann intakt bleiben, wenn ganze Heerscharen an Lithiumionen in sie eindringen – so jedenfalls die Hoffnung der Fachleute wie Angelika Heinzel.

    "Nanosilizium für Lithium-Batterien wird in verschiedenen Arbeitsgruppen untersucht. Und das ist alles sehr vielversprechend, dass man da eine Steigerung der Kapazität hinbekommen kann."

    Doch das ist noch Zukunftsmusik. Denn wie man so eine Anode aus Nanosilizium am besten baut und wie man verhindert, dass sie vorschnell den Geist aufgibt – das müssen die Forscher erst noch herausfinden.