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Bessere Akkus: Schnellladende Batterien durch feste Elektrolyten

Japanische Forscher haben feste Elektrolyten für Lithiumionen-Akkus entwickelt. Sie hoffen auf Akkus mit größerer Leistung und kürzeren Ladezeiten.

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Lithium-Akkus könnten bald schneller geladen werden.
Lithium-Akkus könnten bald schneller geladen werden. (Bild: David Becker/Getty Images)

Ein Team japanischer Forscher hat feste Elektrolyten für Lithiumionen-Akkus entwickelt. Sie hoffen auf höhere Leistungen und schnellere Ladezeiten. Lange Zeit gab es mit festen Elektrolyten ein Problem: Sie lieferten nur bei Temperaturen über 50 bis 80 Grad Celsius brauchbare Werte in der Ionenleitung. Für Alltagsanwendungen waren sie damit nicht geeignet.

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Erst vor fünf Jahren wurde erstmals ein fester Elektrolyt (LGPS) aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel gefunden, der auch bei Zimmertemperatur funktioniert. Allerdings machte der Germanium-Anteil diesen Elektrolyten sehr teuer, weshalb er nicht für die Massenproduktion von Batterien in Frage kam. Germanium kostet etwa 1.900 US Dollar pro Kilogramm.

Fünf Jahre später ist es nun den japanischen Forschern gelungen, zwei neue Elektrolyten mit der gleichen Struktur LGPS zu finden, die ohne Germanium auskommen und trotzdem auch bei Zimmertemperatur brauchbare Leistungen erzielen.

Feste Elektrolyten leiten Ionen besser

Ein Akku besteht aus Anode, Kathode und einem Elektrolyten. Während ein großer Teil der Forschung auf die Entwicklung besserer Anoden und Kathoden verwendet wird, ist auch der Elektrolyt wichtig, weil er die Entwicklung von Akkus mit höheren Leistungen und kürzere Ladezeiten als herkömmliche flüssige Elektrolyten erlauben kann.

Tatsächlich können die neuen festen Elektrolyten die Lithiumionen auch bei Raumtemperatur besser leiten als bisher verwendete flüssige Elektrolyten. Die Ionenleitung ist der begrenzende Faktor für die Leistung und die Ladegeschwindigkeit eines Akkus. Der Akku kann den Strom ab einem bestimmten Punkt nur noch so schnell abgeben oder aufnehmen, wie sich die Lithiumionen durch den Elektrolyten bewegen können.

Die besten Werte erreichten die Forscher aber auch bei den festen Elektrolyten nur bei hohen Temperaturen um 100 Grad Celsius. Auch bei sehr niedrigen Temperaturen um -30 Grad Celsius verhalten sich die festen Elektrolyten etwas besser als die flüssigen Elektrolyten, die bei diesen Temperaturen anfangen zu gefrieren.

Mehr Leistung oder mehr Kapazität

Je nach Anwendungsfall können die Akkus entweder auf maximale Energiekapazität oder auf maximale Leistung und kurze Ladezyklen optimiert werden. Dabei gibt es aber zwei Probleme. Schon durch den optimierten Aufbau für maximale Leistung kommt es zu Verlusten in der Spannung und der Kapazität, selbst dann, wenn der Akku langsam be- und entladen wird.

Vor allem bei höheren Temperaturen können Akkus mit diesen festen Elektrolyten sehr schnell entladen werden. Einige der Spannungskurven wurden mit Entladezeiten unter drei Sekunden aufgenommen. Sie erreichen dann aber nur noch einen Bruchteil der Kapazität, über die Auswirkungen auf die Standfestigkeit durch diese Behandlung schreiben die Forscher nichts. Mit deutlich gemäßigteren Ladezyklen von etwas mehr als drei Minuten Dauer verzeichneten die Forscher aber auch nach 500 Ladezyklen nur einen Verlust von etwa 25 Prozent der ursprünglichen Kapazität.

Detaillierte Diagramme zum Verhalten der Testzelle gibt es im Anhang an das Paper.

Leichtere Akkus

Ein Akku ohne Flüssigkeiten bringt nicht nur höhere Temperaturbeständigkeit mit sich, er braucht auch nicht verkapselt zu werden. Es muss also nicht mehr verhindert werden, dass der Elektrolyt der einen Zelle mit dem Elektrolyten der nächsten Zelle in Berührung kommt. Mit einem festen Elektrolyten können die Akkuzellen ohne Verkapselung einfach in Reihe gebaut werden. Auf diese Weise kann bei der Produktion etwas Material und Gewicht eingespart werden.

Wunder sollte man von der neuen Entwicklung aber trotzdem nicht erwarten. Noch sind die Testzellen nur einige hundert Mikrometer dick und werden in aufwändigen Laborverfahren hergestellt. Bis zum regulären Einsatz in kommerziellen Zellen muss die gesamte Herstellung skaliert werden, wobei es immer noch zu ernsthaften Problemen kommen kann. Die neuen Elektrolyten eröffnen aber die Möglichkeit, in Zukunft den alten Lithiumionen-Akkus neue Tricks beizubringen.

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Lala Satalin... 24. Mär 2016

Und wieso tut sich dann da so wenig? Ich kann mir nicht vorstellen, dass bei den...

belugs 24. Mär 2016

Hi, stimmt. Aber vergiss nicht den Wirkungsgrad! Das macht eine Menge aus. Strom kann...

Eheran 23. Mär 2016

Die USA nicht vergessen. Die sind einen tick wichtiger und größer als die genannten...

Lala Satalin... 23. Mär 2016

Wansinn wie schnell das voran geht... Nicht.

Lehmfigur 23. Mär 2016

https://de.m.wiktionary.org/wiki/Elektrolyt


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