Forscher arbeiten an Lithium-Ionen-Akku mit zehnfacher Kapazität

US-Forscher arbeiten an verschiedenen Methoden, um die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus erheblich zu steigern. Mit besseren Anoden und Kathoden hoffen sie auf Akkus mit einer zehnfach höheren Speicherfähigkeit als bisher. Die Technologie könnte schon in drei bis fünf Jahren marktreif sein und auch wesentlich schneller zu ladende Smartphones ermöglichen, deren Laufzeit über eine Woche lang ist. Elektroautos könnten ebenfalls von effizienteren, kleineren Akkus profitieren.

Sowohl die Northwestern University als auch das Argonne National Laboratory haben in dieser Woche die Ergebnisse ihrer Forschungen veröffentlicht, die einen Schwachpunkt der heute verwendeten Lithium-Ionen-Akkus ausmerzen sollen: die Elektroden, die die elektrische Ladung halten. Die Wissenschaftler der Northwestern University, einer Privatuniversität im US-Bundesstaat Illinois, wollen die Leistungsfähigkeit der Anoden mit Silizium verbessern. Die Forscher des Argonne National Laboratory, einem Forschungsinstitut des US-Energieministeriums, erproben den Einsatz von Titanoxid anstelle von Graphit für die Anoden. Sie stellen Mobiltelefone in Aussicht, die in weniger als 30 Sekunden zur Hälfte geladen sind.

In den Akkus, wie sie heute in Unterhaltungselektronik und auch Elektroautos zum Einsatz kommen, bewegen sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode beim Entladen in eine Richtung und beim Laden in die andere. Harold Kung, Professor für Chemie und Biotechnik an der Northwestern University, versucht mit einem neuen Anodenmaterial die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der sich die Ionen bewegen, und zugleich die Kapazität der Akkus drastisch zu steigern. Kung und seine Mitarbeiter setzten deshalb nicht nur die üblichen dünnen Graphen-Schichten für die Anoden ein, sondern platzierten Silizium-Cluster zwischen ihnen.

Silizium kann wesentlich mehr Lithium-Ionen aufnehmen, ist aber allein nicht stabil genug, da es sich beim Laden stark ausdehnt und wieder zusammenzieht. Das „Sandwich“ aus extrem dünnen Graphen-Schichten und Silizium aber verbindet laut Kung die Vorteile beider Materialien: „Jetzt haben wir beinahe das Beste aus beiden Welten. Wir haben eine wesentlich höhere Energiedichte durch das Silizium, und das Sandwich-Verfahren verringert den Kapazitätsverlust durch das expandierende und kontrahierende Silizium.“

Die Forscher der Northwestern University haben sich zunächst auf die Anode konzentriert und wollen sich jetzt Möglichkeiten zuwenden, die Kathode zu verbessern. Sie prüfen außerdem die Entwicklung eines Elektrolytsystems, das einen Akku bei hohen Temperaturen automatisch vorübergehend abschaltet – ein Sicherheitsmechanismus, der für Elektroautos von entscheidender Bedeutung sein könnte.