Karbonblasen steigern Lebensdauer von Akkus

Rund um den Globus liefern sich Wissenschaftler einen Wettstreit um die besten Lithiumionen-Akkus. Diese sollen Laptops tagelang mit Strom versorgen oder Elektroautos bis zu 500 Kilometer weit fahren lassen. Prototypen mit nanostrukturierten Elektroden speichern dafür bereits genug Strom, halten aber selten länger als wenige Dutzend Ladezyklen durch. Dieses Problem wollen Wissenschaftler nun mit einem blasenartigen Trägermaterial aus Kohlenstoff lösen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nano Energy“ berichten, erreichten sie erstaunlich hohe Ladekapazitäten, die auch nach tausend Ladezyklen erhalten blieben.

„Wir haben ein Verfahren für poröse Hybridelektroden entwickelt, bei denen sich Nanomaterialien gleichmäßig auf den inneren und äußeren Oberflächen von Karbonblasen anlagern“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Chengxin Wang von der Sun-Yat-sen Universität in Guangzhou. Dazu beschichtete das Team in einem ersten Schritt millionstel Meter kleine Zinkteilchen mit einem Kohlenstoffpulver. Aufgeheizt auf bis zu 800 Grad Celsius konnte das Zink danach beseitigt werden. Winzige Kohlenstoffblasen mit zahlreichen Poren und Falten blieben übrig. Diese Karbonblasen rührten die Forscher in eine alkoholische Flüssigkeit mit gelösten Metalloxiden ein. Für Anode und Kathode eines Akkus konnten Nanoteilchen aus Zinn- und Eisenoxid in den Hohlräumen der Karbonblasen fest andocken.

Im Vordergrund eine felsartige Struktur aus Eisenoxid, dahinter liegen mehrere Blasen aus Kohlenstoff nebeneinander. Zwischen den Blasen gibt es mehrere Lücken.
Neues Elektrodenmaterial mit Nanostruktur

Diese Einlagerung von Metalloxid-Nanoteilchen bildet den Schlüssel für die gute Stabilität der Akkuelektroden. Denn während der Ladezyklen wandern Lithiumionen und Elektronen zwischen den Elektroden hin und her. Dabei dehnen sich abwechselnd die Elektroden aus und schrumpfen wieder. Dieses „Atmen“ eines Akkus setzt den Elektroden stark zu und kann sie sogar zerstören. Wang und Kollegen bekamen das Problem nun mit ihren Karbonblasen weitestgehend in den Griff. Erste Prototypen ihrer Lithiumionen-Akkus in der Größe von Knopfzellen wiesen sogar nach tausend Ladezyklen noch über neunzig Prozent ihrer ursprünglichen Ladekapazität auf.

Vielversprechend waren auch die absoluten Zahlen für die Ladekapazität. Mit Werten von mehr als 700 Milliamperestunden pro Gramm rangierten die Elektroden auf Basis der Karbonblasen bei einem Vielfachen der heute im Handel erhältlichen Lithiumionen-Akkus. Nach einer schnellen Aufladung von wenigen Minuten sackte die Ladakapazität zwar deutlich ab, konnte aber immer noch mit derzeit genutzten Akkus konkurrieren. Diese Studie zeigt, dass Nanostrukturen für Akku-Elektroden nicht nur die Leistung deutlich erhöhen, sondern auch eine ausreichende Stabilität gewährleisten können.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen muss nun das Verfahren für die Karbonblasen auf größere Produktionsmengen erweitert werden. Gelingt dieser Schritt, kann in einigen Jahren mit einer deutlich größeren Reichweite von Elektromobilen gerechnet werden. Wang und seine Kollegen sind außerdem überzeugt, dass ihre Karbonblasen auch zu besseren Elektroden in Brennstoffzellen und Superkondensatoren für hohe, kurz wirkende Ströme führen werden.