Ein neuer Verbundwerkstoff eignet sich besonders gut für Elektroden in Lithium-Batterien. [...]
Das sogenannte Nanokomposit-Material könnte nicht nur die Speicherkapazität und Lebensdauer der Batterien deutlich steigern, sondern auch ihre Ladegeschwindigkeit, wie Forscher aus Jülich, München und Prag im Fachmagazin „Advanced Functional Materials“ schreiben.
Basisschicht aus Graphen
Bei dem neuen Material handelt es sich um Hybridmaterialien oder Nanokomposite, also Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Das neue Material besteht aus mit Antimon angereicherten 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 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.
„Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig“, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. „Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern kann als mit der herkömmlichen Graphit-Anoden möglich wäre – und bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde sogar das Dreifache.“ Bisher seien so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht worden. Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau.
Nach 1.000 Zyklen noch fit
Die neuen Antimon-dotierten Anoden behalten auch nach 1.000 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“, führt Fattakhova-Rohlfing aus und ergänzt: „Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.“
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