Neue Nickel-Eisen-Batterie lädt fast tausendmal schneller

Stanford (USA) – Die klassische aufladbare Nickel-Eisen-Batterie wurde seit den 1990er Jahren weitgehend vom schnelleren und leistungsstärkeren Lithium-Ionen-Akku ersetzt. Doch nun könnte sie zurückkehren, nachdem Forscher die Elektroden mithilfe modernster Nanomaterialien optimiert haben. Ihr Prototyp ist binnen zwei Minuten vollständig aufzuladen und gibt die Energie bei Bedarf in nur 30 Sekunden wieder ab. Damit ist der Nickel-Eisen-Akku wieder konkurrenzfähig, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Communications“.

Gitterstrukturen aus Kohlenstoff, links die Anode als planare Schicht und rechts die Kathode als Röhrchen. Beim Be- und Entladen verändern sich die Nanokristalle auf den Gittern, die als Cluster aus kleinen Kügelchen dargestellt sind.
Schneller Ladevorgang dank Graphenschichten

„Wir haben die Lade- und Entlade-Rate um fast das Tausendfache erhöht, wir haben sie wirklich schnell gemacht“, sagt Hailiang Wang, Hauptautor der Studie und Chemiker an der Stanford University. Bislang brauchten die Akkus viele Stunden zum Aufladen und gaben die gespeicherte Energie nur langsam wieder frei. Diesen Nachteil hat das Team nun ausgeräumt, indem es die Elektroden der Batterie mit feinsten Strukturen des Kohlenstoffmaterials Graphen und winzigen Kohlenstoffnanoröhrchen versetzte. Statt diese aber wie in herkömmlichen Elektroden einfach beizumischen und so die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, ließen die Forscher darauf winzige Strukturen wachsen. Die ursprüngliche Eisen-Anode besteht nun aus Eisenoxid-Nanokristallen, die auf Graphenschichten gewachsen sind. Die einstige Nickelkathode ist eine Ansammlung von Nickelhydroxid-Nanokristallen, gewachsen auf den Nanoröhrchen. 

Diese Methode liefert eine starke chemische Bindung zwischen den anorganischen Metallpartikeln und dem Kohlenstoff, was die elektrische Ladung wesentlich schneller zwischen den Elektroden und dem anliegenden Schaltkreis fließen lässt. Als Elektrolyt dient nach wie vor Kalilauge, auch dies ein billiger und umweltfreundlicher Rohstoff. Der 1-Volt-Prototyp der Forscher liefert eine Energiedichte von mehr als 120 Wattstunden pro Kilogramm, eine ähnliche Leistung wie bei einfachen Lithium-Ionen-Akkus. Derzeit reicht dies nur, um eine Taschenlampe zu betreiben. Doch größere Versionen seien machbar, so das Team.

Der bisher größte Nachteil der neuen alten Energiespeicher besteht darin, dass die Kapazität nach rund 800 Lade-Entlade-Zyklen auf rund 80 Prozent sinkt, ähnlich wie bei einem Lithium-Ionen-Akku.Da der schnelle Nickel-Eisen-Akku aber deutlich mehr Ladezyklen absolvieren soll, konzentrieren sich die Forscher auf dem Weg zur Marktreife nun auf das lange Erhalten der vollen Kapazität.