Nano­kom­po­si­te für lang­lebi­ge Ak­kus

Einem Team von Material­forschern aus Jülich, München und Prag gelang die Herstellung eines Verbund-Werkstoffs, der sich besonders gut für Elektroden in Lithium-Batterien eignet. Das Nano­komposit-Material könnte nicht nur die Speicher­kapazität und Lebensdauer der Batterien deutlich steigern, sondern auch ihre Ladege­schwindigkeit. Trotz aller Fortschritte halten Smartphone-Batterien heute nur einen Tag lang, Elektro­autos brauchen Stunden zum Aufladen. Wissen­schaftler arbeiten deswegen an Möglich­keiten, die Energie­dichten und Laderaten der Allround-Batterien weiter zu verbessern. „Ein wichtiger Faktor ist das Anoden­material“, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klima­forschung.

Dina Fattakhova-Rohlfing und ihre Kollegen konzentrieren sich in ihrer Arbeit auf die Entwicklung von Lithium- und Natrium-Festkörperbatterien. (Bild: S. Kreklau, FZJ)

„Anoden auf der Basis von Zinn­dioxid können im Prinzip viel höhere spezifische Kapa­zitäten erreichen – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Kohlen­stoff-Anoden. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen“, so Fattakhova-Rohlfing. „Reines Zinnoxid zeigt jedoch sehr schlechte Zyklen­stabilität – die Speicher­fähigkeit der Batterien nimmt stetig ab, und sie können nur wenige Male wieder aufge­laden werden. Mit jedem Auf- und Entlade­zyklus ändert sich das Volumen der Anode, was dazu führt, dass sie zerbröselt.“

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind Hybrid­materialien oder Nano­komposite, also Verbund­werkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissen­schaftler entwickelten ein Material aus mit Antimon ange­reichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basis­schicht aus Graphen. Die Graphen­basis dient der struk­turellen Stabilität und trägt gleichzeitig zur Leitfähig­keit des Materials bei. Die Zinnoxid-Teilchen haben nur eine Größe von weniger als drei Nanometern und werden direkt auf das Graphen deponiert. Durch die kleine Größe der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphen­schicht verbessert sich außerdem die Toleranz gegenüber Volumen­änderungen. Die Lithium­zelle wird stabiler und hält länger.

„Die An­reicherung der Nano­partikel mit Antimon macht das Material außer­ordentlich leitfähig“, erklärt Fattakhova-Rohlfing. „Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Andert­halbfache an Energie speichern kann als mit herkömm­lichen Graphit-Anoden möglich wäre – und bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde sogar das Dreifache. Bisher konnten so hohe Energie­dichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden”, sagt die leitende Wissen­schaftlerin. „Schnellere Lade­zyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitäts­abbau.“ Die von den Wissen­schaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach eintausend Zyklen noch 77 Prozent ihrer ursprüng­lichen Kapazität.

„Die Nano­komposit-Anoden können einfach und kosten­günstig produziert werden. Und die angewandten Konzepte lassen sich auch für die Konstruk­tion anderer Anoden­materialien für Lithium-Ionen-Batterien verwenden“, erklärt Fattakhova-Rohlfing. „Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energie­dichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.“ (Quelle: FZJ / pro-physik.de)

Referenz: F. Zoller et al.: Making Ultrafast High‐Capacity Anodes for Lithium‐Ion Batteries via Antimony Doping of Nanosized Tin Oxide/Graphene Composites, Adv. Func. Mat. 28, 1706529 (2018); DOI: 10.1002/adfm.201706529

Link: Abt. Elektrochemische Speicher (D. Fattakhova-Rohlfing), Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich

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