Nanokäfige vervielfachen Ladekapazität von Lithium-Akkus

Langlebige Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Ladekapazität brauchen besonders stabile Materialien für ihre Elektroden. Für die Anoden, also den Pluspol einer Batterie, entwickelte nun ein internationales Forscherteam winzige Nanokäfige aus Metalloxiden. Diese zeigten in ersten Modulen eine bis zu dreimal höhere Ladekapazität als die bisher oft verwendeten Anoden aus Grafit. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“ berichten, hielt dieses Material zudem den störenden Volumenänderung beim Ladevorgang sehr gut stand.

Animierte Grafik eines nach oben offenen, rechteckigen Käfig. Das Material, aus dem er besteht, ist bräunlich und sehr uneben.
Kristalliner Nanokäfig

Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in einem neuen Verfahren für die Fertigung von Metalloxiden auf der Nanoskala. Über einen sogenannten galvanischen Austausch konnten die Forscher um Myoung Hwan Oh von der koreanischen Seoul National University gezielt Nanokäfige aus Eisenoxid herstellen. Dazu züchteten sie zuerst winzige Nanokristalle aus Manganoxid. In eine Eisenperchlorat-Lösung eingetaucht kam es zu einer elektrochemischen Reaktion. Dabei wurde das Mangan in den Nanokristallen nach und nach gegen Eisen ausgetauscht. Das Ergebnis waren schließlich hohle Eisenoxidpartikel mit geringen Mangananteilen, die sich wegen ihrer großen Oberfläche gut als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus eignen sollten.

In weiteren Versuchen analysierten die Forscher sowohl Ladekapazität als auch Stabilität von einfachen Batteriezellen mit Anoden aus den neuartigen, kristallinen Nanokäfigen. Mit Werten von über 1000 Milliamperestunden pro Gramm konnte die Ladekapazität im Vergleich zu herkömmlichen Grafitanoden etwa um das Dreifache gesteigert werden. Auch nach 50 Ladezyklen konnten die Forscher keinen nennenswerten Kapazitätsverlust feststellen. Offenbar hielten die Nanokäfige der Volumenänderung während des Ladevorgangs besser stand als andere, massiv aufgebaute Materialien.

Mit diesen gezielt synthetisierten Nanokäfigen können Entwickler von Lithium-Ionen-Akkus nun auf eine weitere Materialklasse zurückgreifen. Hohe Ladekapazitäten konnten aber auch schon mit nanostruktuierten Anoden auf Siliziumbasis erzielt werden, doch litten diese Prototypen unter einer geringen Langlebigkeit. Für zukünftige Akkus, mit denen Laptops ganze Tage versorgt werden oder Elektroautos über 300 Kilometer weit fahren könnten, werden die Akkuentwickler wahrscheinlich einen Kompromiss zwischen möglichst hohen Ladekapazitäten und Langzeitstabilität eingehen müssen.