Eine Kernkomponente mobiler elektronischer Geräte – vom Smartphone bis zum E-Auto – sind Akkus. Deren Limitationen entscheiden über Laufzeit und Reichweite der jeweiligen Geräte. Forscher beschäftigen sich schon lange damit, aktuelle Akku-Designs zu verbessern, müssen dabei aber viele Hürden meistern.

Nun soll Wissenschaftlern der Stanford University ein Durchbruch gelungen sein, berichtet Science Daily: Das Design einer reinen Lithium-Anode.

Akku-Prinzip

Akkus bestehen aus drei Komponenten: Einem Elektrolyt sowie einer Kathode und einer Anode zum Laden und Entladen der darin vorhandenen Elektronen. Heutige Lithium-Ionen-Batterien enthalten namensgemäß Lithium, doch dieses befindet sich ausschließlich im Elektrolyt. Die Vision einer reinen Lithium-Anode gibt es schon länger, realisiert werden konnte sie noch nicht. Daher bestehen die Anoden in der Regel aus Graphit oder Silizium.

Potenzial

"Von allen Materialien, die man in einer Anode verwenden könnte, hat Lithium das größte Potenzial", erklärt dazu Yi Cui, der das Forschungsprojekt leitet. "Manche nennen es auch den 'heiligen Gral'." Denn Lithium ist sehr leicht und weist die höchste Energiedichte auf, gemessen an Gewicht und Volumen kann also im Vergleich zu anderen Substanzen am meisten Energie gespeichert werden.

Herausforderungen

Doch die Verwendung von Lithium als Anode ist nicht ohne weiteres möglich. Alle Anoden-Materialien dehnen sich beim Aufladeprozess etwas aus. Keines aber so sehr wie Lithium, dessen Vergrößerung dazu auch noch ungleichmäßig erfolgt. Das führt zu Kratern und Rissen an der Oberfläche, über welche Elektronen nach Außen dringen und dort längliche, haarige Ausläufer – sogenannte Dendriten – bilden. Diese können Kurzschlüsse verursachen und beeinträchtigen die Haltbarkeit der Batterie.

Ein zweites Problem ist die hohe chemische Reaktivität von Lithium. Eine Lithium-Anode würde das Elektrolyt schnell aufbrauchen und die Lebensdauer des Akkus reduzieren. Zusätzlich stellt die Wärmeentwicklung eine Schwierigkeit dar, mit der schon "traditionelle" Batterien kämpfen.

Kohlenstoff-Kuppeln

Das Team rund um Yi Cui hat nun eine Möglichkeit gefunden, das Lithium vor diesem Phänomen zu "schützen". Dazu wurde eine Nano-Schutzschicht aus miteinander verbundenen "Kuppeln" aus amorphem Kohlenstoff entwickelt, die über das Lithium gelegt wird. Es sieht aus wie ein Bienenwaben-Muster und ist lediglich 20 Nanometer, also rund ein Fünftausendstel eines menschlichen Haares, dick.

Sie ist, wie Cui erklärt, einerseits chemisch stabil genug, um nicht von den Reaktionen des Lithiums mit dem Elektrolyt zersetzt zu werden und andererseits mechanisch in der Lage, auch der Ausdehnung des Lithiums zu widerstehen.

Weitere Verbesserung notwendig

Die so geschützte Lithium-Anode erreicht eine Effizienz von 99 Prozent auf 150 Ladezyklen, büßt also in diesem Zeitraum einen Prozent ihrer Kapazität ein. Um als kommerziell vermarktbar zu gelten, ist jedoch eine Effizienz von zumindest 99,9 Prozent notwendig. Deren Erreichung ist nun das nächste Ziel der Stanford-Wissenschaftler, die das Ergebnis ihrer bisherigen Arbeit im Journal "Nature Nanotechnolgy" veröffentlicht haben.

Mehr Laufzeit für Handys und Autos

Sie hoffen, dass sich mithilfe einer Lithium-Anode künftig Akkus entwickeln lassen, die bei gleichem Volumen und Gewicht im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien ein Mehrfaches der Kapazität aufweisen.

Gelänge eine Vervierfachung wären gemäß der Einschätzung von Ciu Elektroautos denkbar, die mit einer Ladung 300 Meilen (rund 483 Kilometer) zurücklegen könnten, aber nur 25.000 Dollar (18.600 Euro) kosten würden. Smartphones mit entsprechenden Akkus würden wiederum doppelt oder drei mal so lange genutzt werden können, ehe man sie aufladen müsste. (gpi, derStandard.at, 29.07.2014)