Akku: US-Forscher entwickeln Akku mit Lithium-Anode

Kleinere, leistungsfähigere und beständigere Akkus soll eine Entwicklung von US-Wissenschaftlern ermöglichen: Sie haben nach eigenen Angaben eine sichere Anode aus Lithium konstruiert.

Artikel veröffentlicht am 28. Juli 2014, 11:53 Uhr, Werner Pluta

Smartphone-Akku: Kontakt von Lithium mit Elektrolyt stark verringert (Bild: Bloomberg via Getty Images)

Forscher der Stanford Universität haben einen wichtigen Fortschritt für Lithium-Ionen-Akkus erzielt: Sie haben eine Anode aus Lithium konstruiert. Dadurch sollen die Akkus kleiner und leistungsfähiger werden.

Heutzutage sind die Anoden in Akkus meist aus Silizium oder Graphit. Lithium eignet sich als Anodenmaterial aber besser, da es mehr Ionen aufnehmen kann. Es habe aber nicht nur eine hohe Energiedichte, sondern sei auch noch leicht. Manche bezeichneten Lithium deshalb als heiligen Gral der Akkutechnik, sagt Projektleiter Yi Cui.

Schwieriges Lithium

Das Problem sei aber, dass Lithium Verästelungen ausbilde, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology. Diese sogenannten Dendriten beeinträchtigten die Leistungsfähigkeit eines Akkus. Sie können aber auch einen Kurzschluss herbeiführen, der das Ende des Akkus bedeutet. Zudem ist das Lithium sehr reaktiv - eine Lithium-Anode reagiert mit dem Elektrolyt, was die Lebensdauer des Akkus verringert.

Die Wissenschaftler haben die Lithium-Anode mit einer einzelnen Lage aus Nanohohlkugeln aus Kohlenstoff mit einer Wandstärke von 20 Nanometern beschichtet. Die Nanosphären sind miteinander verbunden und erzeugen eine Bienenwaben-artige Struktur. Die Schicht umhüllt die Anode und unterbindet die unerwünschten Effekte.

Ideale Beschichtung

"Die ideale Schutzschicht für eine Lithium-Anode muss chemisch stabil sein, um eine Reaktion mit dem Elektrolyt zu verhindern, und sie muss stabil genug sein, um der Ausdehnung des Lithiums beim Laden standzuhalten", erklärt Cui. Die von ihnen entwickelte Beschichtung erfülle beide Anforderungen.

Sie soll den Akku auch sicherer machen: Wenn das Lithium mit dem Elektrolyt reagiert, wird Wärme freigesetzt, was zu Überhitzen und Feuer führen kann. Die Schutzschicht sorgt dafür, dass das Lithium nur noch in geringem Maße mit dem Elektrolyt in Kontakt kommt. Dadurch soll auch die Feuergefahr verringert werden.

Nach Angaben der Stanford-Forscher hat der Akku eine coulombsche Effizienz von 99 Prozent. Diese behält er auch nach 150 Ladezyklen. Die coulombsche Effizienz ist das Verhältnis zwischen der Ladung, die ein Akku beim Laden aufnimmt, und der Ladung, die er beim Entladen abgibt. Das Ziel von Cui und seinen Kollegen ist, einen Akku mit einer Effizienz von 99,9 Prozent zu entwickeln.