Leistungssteigerung für Akkus
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