Leistungssteigerung für Akkus Dienstag, 26.07.2016
Materialforscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH haben ein sehr einfaches und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus zu steigern.
Durch Optimierung der Grafit-Anode einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, also deren Minuspol, konnte die Ladekapazität unter Laborbedingungen teilweise verdreifacht werden. Auch das Aufladen erfolgt schneller. Das Verfahren ist in der Größe skalierbar.
Der Clou besteht in der Fabrikation der Anode. Der Grafit,
also der Kohlenstoff, aus dem sie besteht, liegt in dicht
gepackten, regellos angeordneten winzigen Flocken vor Wenn
ein Lithium-Ionen-Akku aufgeladen wird, wandern von der aus
Lithium-Metalloxid bestehenden Kathode, dem Pluspol,
Lithium-Ionen als Ladungsträger durch eine
Elektrolytflüssigkeit zur Anode. Beim Gebrauch der Batterie
fließen die Ionen wieder zurück zur Kathode. Dabei
allerdings müssen sie in dem dicht gepackten Wirrwarr aus
Grafitflocken viele Umwege gehen, was die Leistung der
Batterie beeinträchtigt.
Diese Umwege lassen sich großteils vermeiden, wenn man die
Flocken schon bei der Herstellung der Anode vertikal
ausrichtet, so dass sie alle parallel zueinander von der
Elektrodenebene in Richtung Kathode zeigen. Dies kann nach
Metallisierung der Grafit Partikel in einer
Ethanolsuspension durch Anlegen eines Magnetfeldes erreicht
werden Wie man auf Mikroskopaufnahmen sehen kann,
behalten die Plättchen ihre neue Orientierung auch nach
Trocknen der Suspension bei, wenn der Magnet bis zum Ende
des Trockenvorgangs angeschlossen bleibt. Statt kreuz und
quer zueinander liegen die Flocken in dem gepressten
Grafitriegel nun also in Reih und Glied. So können die
Lithium-Ionen nicht nur viel leichter und schneller
fliessen, auch die Ladekapazität steigt – es können mehr
Ionen andocken. Bei alldem bleibt die chemische
Zusammensetzung der Batterie die gleiche, verändert
wurde nur der Aufbau der Anode.
Bild: Paul Scherrer Institut, ETH Zürich - Die Grafitflocken in einer herkömmlichen Anode eines Lithium-Ionen-Akkus liegen kreuz und quer zueinander (oben links und mitte). Lithiumionen, die dort andocken oder wieder zurück zur Kathode wandern wollen, müssen Umwege gehen (oben rechts). Richtet man die Flocken jedoch vertikal und parallel aus, so wandern die Ionen kürzere Wege (unten rechts) und die Ladekapazität steigt.
26.7.16