Batterien
Doppelt so viel Energie und doppelt so langes Leben

Die Energiedichte herkömmlicher Lithium-Batterien kann kaum noch gesteigert werden. Hingegen können Lithium-Metall-Batterien die doppelte Strommenge pro Kilogramm liefern. Ihr Problem sind jedoch kleine nadelartige Wucherungen. Diese so genannten Dendriten zerstören die Isolierungen in den Akkus und verursachen somit Kurzschlüsse. Jetzt haben Forscher aus Jena, Boston und Detroit eine Lösung gefunden.

Lithium-Metall-Batterien Doppelt so langes Leben und doppelt so viel Energie dank Kohlenstoff-Nanomembranen (Sathisch Rajendran/Wayne State University)

Diese besteht darin, die Dendriten-Bildung im Keim zu verhindern. Bei der Ladung bewegen sich die Lithium-Ionen zwischen den beiden Ladungspolen Anode und Kathode hin und her. Immer wenn sie ein Elektron aufnehmen, lagern sie ein Lithium-Atom ab. Die Atome reichern sich mit der Zeit an der Anode an und bilden so eine kristalline Oberfläche. An der Stelle, wo sich die Atome ansammeln, wächst diese kristalline Struktur nicht nur flächig, sondern wuchert als nadelförmige Dendriten. Die Poren der Separator-Membran, die Anode und Kathode trennt, begünstigt die Keimbildung der Dendriten. Das Entstehen der nadelförmigen Auswüchse kann allerdings vermieden werden, wenn der Ionentransport gleichförmiger abläuft.

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„Deshalb haben wir eine extrem dünne, zweidimensionale Membran aus Kohlenstoff auf den Separator aufgebracht, deren Poren einen Durchmesser von weniger als einen Nanometer haben“, erklärt Professor Andrey Turchanin von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Diese winzigen Öffnungen sind zu klein für die Keimbildung, die das Wachsen der Dendriten auslöst. Anstatt dendritische Nadeln zu bilden, lagert sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab. Die Gefahr, dass die Separator-Membran dadurch beschädigt werde, besteht nicht.

Um zu testen, ob die Batterien funktionieren, haben die Forscher die Akkus, die mit der Hybrid-Separator-Membran ausgestattet waren, immer wieder aufgeladen. Doch selbst nach Hunderten von Ladezyklen waren keine Dendriten festzustellen. Im Experiment hielten die neuartigen Batterien doppelt so viele Ladungen durch wie die unbehandelten Akkus.

Patent angemeldet

Schlüsselinnovation ist dabei die Stabilisierung der Elektroden-Grenzfläche mit einer ultradünnen Membran, die den aktuellen Batterieherstellungsprozess nicht verändert. Die Stabilität der Grenzfläche gewährleistet die Verbesserung der Leistung. Der Separator bekomme in der Regel in der Forschung im Vergleich zu anderen Batterieteilen am wenigsten Aufmerksamkeit, ist die Beobachtung von Sathish Rajendran von der Wayne State University in Detroit: „Das Ausmaß, in dem eine nanometerdicke zweidimensionale Membran auf dem Separator einen Unterschied in der Lebensdauer einer Batterie machen könnte, ist faszinierend.“

Das deutsch-amerikanische Forscherteam hat inzwischen das Verfahren zum Patent angemeldet. Die Wissenschaftler glauben, dass ihre Erkenntnisse das Zeug haben, eine neue Generation von Lithiumbatterien zu entwickeln. Die Forscher wollen die Methode auch an anderen Batterie-Varianten erproben.

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