Wissenschaftlern vom Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz gelang es, durch neue Nano-Ordnung die Ladekapazität von Lithium-Ionen-Akkus entscheidend zu verbessern. Mit Hilfe eines Magneten sortierten die Forscher die Graphitflocken im Inneren der Anode der Akkus und erleichterten so den Fluss der Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode. So konnte der Energieverbrauch gesenkt werden, die Akkus hielten länger.


Kaffetasse mit Batterieanzeige

Chaos in der Anode

Die Verbesserung existierender Akku-Technologien ist ein guter Weg, um die Zeit bis zur Entdeckung neuer Speicherformen für elektrische Energie zu verbessern. Lithium-Ionen-Akkus gibt es schon eine Weile, aber weltweit arbeiten Forschern kontinuierlich an Möglichkeiten, die bestehende Technologie zu verbessern. Claire Vellieille vom Paul-Scherrer-Institut konzentrierte sich mit ihrem Team auf die Anode von bestehenden Lithium-Ionen-Akkus. Diese besteht aus Graphit, das in Form von Flocken dicht zusammengepackt wird, ohne eine richtige Ordnung aufzuweisen. Wenn der Akku aufgeladen wird, fließen Lithium-Ionen als Ladungsträger von der Kathode durch eine Elektrolytflüssigkeit zur Anode. Dort werden sie in der Graphitschicht eingelagert.


Wird am Akku Energie abgefragt, fließen die Ionen wieder zurück zur Kathode. Das Problem: Beim Weg aus der Anode heraus müssen die Ionen ihren Weg durch das Gewirr von Graphitflocken suchen, was die Leistung der Batterie negativ beeinflusst.

Vellieille und ihr Team suchten deshalb nach einer Methode, um die Graphitflocken in der Anode zu ordnen. Dazu versuchte sie, die Graphitflocken mit Hilfe eines Magneten vertikal anzuordnen, sodass alle Partikel zueinander parallel geordnet sind.

Ordnung verbessert die Leistung

Die Idee von Vellieille stieß jedoch auf ein Problem: Graphit ist nicht magnetisch. Also ummantelte das Team die Graphitflocken mit Nanopartikeln aus magnetischem Eisenoxid und gaben sie in eine Ethanollösung. Diese wurde im Anschluss einem Magnetfeld mit einer Stärke von 100 Millitesla ausgesetzt, was etwa der Stärke eines Kühlschrankmagneten entspricht. Das Magnetfeld sorgt dafür, dass die ummantelten Flocken sich vertikal ausrichten und ihre Flächen parallel zueinander anordnen, sodass eine klare Struktur entsteht. Das Magnetfeld wurde während des Trockenvorgangs aufrecht erhalten, was dazu führte, dass die Flocken ihre Anordnung beibehielten.

Eine so behandelte Anode ist in der Lage, deutlich schneller wieder Lithium-Ionen freizugeben. Außerdem kann sie mehr Ionen aufnehmen, was zu einer Erhöhung der Ladekapazität führt.

Unter Laborbedingungen konnten wir die Ladekapazität teilweise verdreifachen. Diesen Wert wird man in kommerziellen Batterien wegen der Komplexität ihres Aufbaus womöglich nicht ganz erreichen. Aber die Leistung wird auf jeden Fall deutlich besser sein, vielleicht um 30 bis 50 Prozent – mit weiteren Experimenten werden wir da präzisere Prognosen liefern können„, so Vellieille.

Die Verbesserung der Leistung der Akkus ist der Kombination aus langsamerer Entladung und höherer Ladekapazität zu verdanken. Wann die Technologie auch kommerziell genutzt werden wird, ist noch nicht bekannt.

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