Ob für Handy, Tablet oder Elektroauto: Lithium-Ionen-Akkus sind das Mass der Dinge. Ihre Speicherfähigkeit und Leistungsdichte sind der anderer wiederaufladbarer Batteriesysteme weit überlegen. Doch trotz aller Fortschritte halten Smartphone-Batterien nur einen Tag lang, Elektroautos brauchen Stunden zum Aufladen. Wissenschaftler arbeiten deswegen Möglichkeiten, die Energiedichten und Laderaten der Allround-Batterien weiter zu verbessern. "Ein wichtiger Faktor ist das Anodenmaterial", erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1).

Nanokomposite erhöhen Speicherkapazität und Lebensdauer
"Anoden auf der Basis von Zinndioxid können im Prinzip viel höhere spezifische Kapazitäten erreichen – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen", so Fattakhova-Rohlfing. "Reines Zinnoxid zeigt jedoch sehr schlechte Zyklenstabilität – die Speicherfähigkeit der Batterien nimmt stetig ab, und sie können nur wenige Male wieder aufgeladen werden. Mit jedem Auf- und Entladezyklus ändert sich das Volumen der Anode, was dazu führt, dass sie zerbröselt." Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind sogenannte Hybridmaterialien oder Nanokomposite – Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissenschaftler entwickelten ein Material aus mit Antimon angereichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basisschicht aus Graphen. Die Graphenbasis dient der strukturellen Stabilität und trägt gleichzeitig zur Leitfähigkeit des Materials bei. Die Zinnoxid-Teilchen haben nur eine Grösse von weniger als drei Nanometern – also weniger als drei Millionstel Millimeter – und werden direkt auf das Graphen "aufgewachsen". Durch die kleine Grösse der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich ausserdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen – die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

Dreifache Ladung in einer Stunde
"Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material ausserordentlich leitfähig", erklärt Fattakhova-Rohlfing. "Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern kann als mit herkömmlichen Graphit-Anoden möglich wäre – und bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde sogar das Dreifache. Bisher konnten so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden. Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau." Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1000 Zyklen noch 77 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

"Die Nanokomposit-Anoden können einfach und kostengünstig produziert werden. Und die angewandten Konzepte lassen sich auch für die Konstruktion anderer Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwenden“, erklärt Fattakhova-Rohlfing. „Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet."

Originalpublikation: 'Making Ultrafast High-Capacity Anodes for Lithium-Ion Batteries via Antimony Doping of Nanosized Tin Oxide/Graphene Composites'. Florian Zoller, Kristina Peters, Peter Zehetmaier, Patrick Zeller, Markus Döblinger, Thomas Bein, Zdenek Soferand Dina Fattakhova-Rohlfing >>

Text: Forschungszentrum Jülich