Bessere Akkus: Zinnschaum kann Batteriekapazität signifikant steigern
Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin(öffnet im neuen Fenster) haben die Strukturen von potenziellem Elektrodenmaterial am Teilchenbeschleuniger bei der Arbeit beobachtet. Ein vielversprechender Zinnschaum zeigte sich dabei nicht nur von seiner langlebigen Seite. Er bietet theoretisch die dreifache Ladungsdichte im Vergleich zu aktuellen mehrschichtigen Elektroden aus Grafit.
Zinn kann in der getesteten Form eine Ladungsdichte von 993 Amperestunden pro kg (Ah/kg) erreichen. Bei einer Grafitelektrode liegt der Wert nur bei 372 Ah/kg. Ein weiterer Punkt, der für Zinn spricht, ist seine Häufigkeit, zumindest im Vergleich zu vielen seltenen Erden wie Beryllium oder Germanium.
Angepasste Struktur
Das Problem von Zinn oder auch Aluminium als leistungsstarkes Elektrodenmaterial besteht in der zerstörerischen Einlagerung der Lithium-Ionen. Die Gitterstrukturen werden aufgebrochen, das Material ermüdet und die Batterie ist nach kürzester Zeit unbrauchbar.
Beseitigt werden konnte dies durch Nanostrukturen mit nur wenigen Mikrometer großen Poren, also im Grunde einem Schaum aus Zinn. In diese Poren können sich die Lithium-Ionen einlagern, ohne das Material zu beschädigen. Die Studie dazu wurde in Advanced Science(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht.
Blick auf die Atomstruktur
Um das beste Material und dessen optimale Struktur ausfindig zu machen und gleichzeitig zu beobachten, was bei der Interaktion der verschiedenen Elemente auf kleinster Ebene geschieht, kam BAMline(öffnet im neuen Fenster) am Teilchenbeschleuniger BESSY II(öffnet im neuen Fenster) zum Einsatz.
Hier wird mit harter Röntgenstrahlung auf die atomaren Strukturen geschaut. Das gelingt, weil der besonders energiereiche Teil der Strahlung eine Wellenlänge aufweist, die kleiner als die Abstände der Atome ist.
Auf diese Weise konnte das Forschungsteam Schäden direkt beobachten, anstatt deren Auswirkungen erst nach langwierigen Versuchen indirekt durch die Verschlechterung der Batterieleistung zu ermitteln. Wie sich schnell zeigte, war der Zinnschaum am robustesten bei den Lade- und Entladevorgängen.