Graphitanoden: seit 26 Jahren ein Kompromiss

Anoden von Lithium-Ionen-Akkus bestehen bis heute in den meisten Fällen aus Graphit. Schon die ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Akkus nutzten das Material. Zwischen den einzelnen Kohlenstofflagen, aus denen das Graphit besteht, lassen sich die Lithium-Ionen kontrolliert einlagern und wieder freigeben. Es ist noch dazu ein sehr energieeffizienter Prozess, durch den die Ladevorgänge kaum mehr Energie brauchen, als der Akku letztlich abgibt. Erst bei größeren Stromstärken wird der Prozess etwas ineffizienter.

Das Vorgehen hat einen gewichtigen Nachteil. Auf jedes eingelagerte Lithium-Atom der Anode kommen wenigstens sechs Kohlenstoffatome im Graphit. Ein Kohlenstoffatom wiegt aber fast doppelt so viel wie ein Lithium-Atom. Durch das zusätzliche Material ist eine Graphitanode mehr als zehnmal so schwer wie eine reine Lithium-Anode. Dadurch sinkt die mögliche Energiedichte des gesamten Akkus. Außerdem kann es immer noch dazu kommen, dass beim Laden mehr Lithium-Atome an der Anode ankommen, als eingelagert werden können, wenn der Akku zu kalt ist oder zu schnell geladen wird. Dann bildet sich unkontrolliert Lithium-Metall, mit den bekannten Folgen.

Ersetzt das Graphit - irgendwie!

Auch die Technik mit Graphitanoden hat noch Verbesserungspotenzial. Aber die theoretischen Grenzen rücken immer näher und das Interesse an der Entwicklung von neuen Materialien für Akkus wächst. Dabei zeigt sich bei den Lithium-Akkus das typische Bild eines aktiven Forschungsgebietes. Es werden viele vielversprechende Ansätze gleichzeitig untersucht. Keiner dieser Ansätze ist perfekt, niemand weiß, welcher am Ende zum besten Ergebnis führen wird.

Allem voran wird nach besseren Anoden gesucht, nach besseren Wegen, Lithium-Ionen zu speichern oder doch noch die Anode aus reinem Lithium-Metall möglich zu machen. Dann müsste auch die Kathode nicht mehr als Lithium-Spender auftreten, wodurch ganz andere und viel leichtere Materialien als Lithium-Kobalt-Oxid in der Kathode verwendet werden können.

Die Anode wäre toll, wenn sie nicht zerbröckeln würde

Es gibt viele Ansätze, um mehr Lithium in der Anode zu speichern. Silizium könnte bei Zimmertemperatur mit Lithium eine Legierung bilden. So könnten theoretisch zehnmal so viele Lithium-Ionen in der gleichen Menge Anodenmaterial gespeichert werden. Auch wenn die Batterie als Ganzes weniger Kapazität gewinnen würde, wäre das ein großer Fortschritt. Aber der hat sich als Illusion erwiesen.

Das Problem der Silizium-Anoden ist, dass sie beim Einlagern von Lithium ihr Volumen vervierfachen. Das führt zu Schäden in den Anoden und verhindert, dass der Akku tatsächlich dauerhaft wiederaufladbar ist. Die Anoden werden nach wenigen Zyklen pulverisiert. Im Labormaßstab ist es mit nanotechnischen Verfahren gelungen, Silizium mit Kohlenstoffhüllen zu umgeben, um die Anode zu stabilisieren. Aber dabei sinkt nicht nur die theoretisch mögliche Kapazität, das Verfahren wird auch aufwendiger und ist derzeit zu teuer, um praktisch relevant zu sein.

Nanodrähte, Graphen und Fullerene

Das Gleiche gilt für Ansätze mit Silizium-Nanodrähten. Die Idee dahinter ist, dass die dünnen Drähte genug Platz haben, um sich auszudehnen. Sie wären so weniger anfällig für mechanische Schäden als eine Anode aus einem einfachen Siliziumblock. Aber die Herstellung ist teuer, die nötigen Zwischenräume zwischen den Drähten brauchen mehr Platz und die Drähte benötigen auch eine Basis, auf der sie befestigt werden.

Eine andere Idee ist es, statt Graphit andere Kohlenstoffverbindungen zu benutzen, die Lithium-Ionen mit weniger Kohlenstoffatomen aufnehmen können. Egal ob Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder Fullerene, jede der neuen Kohlenstoffverbindungen wurde versucht. Ähnlich wie bei den Silizium-Nanodrähten bleiben auch hier Lücken. Im Resultat sind Batterien dann zwar leichter, nehmen aber immer noch genauso viel Platz ein. Aber ohne erhebliche Fortschritte in der Herstellung von Nanostrukturen werden diese Ansätze kaum mehr als Kuriositäten aus dem Labor bleiben. Der Aufwand ist einfach zu groß.

Deshalb kehren die Forscher immer wieder zurück zu den Anfängen der Technik und versuchen, doch noch eine funktionsfähige Lithium-Anode zu bauen.