Nanoporen: Milliarden Akkuzellen passen auf eine Briefmarke

Akkuzelle aus Nanoporen (Bild: NEES, DOE Energy Frontier Research Center)

Klein, aber voller Energie: Forscher entwickeln eine Akkumulatorzelle im Nano-Maßstab, deren Grundfläche einen Durchmesser von einem Viertel Mikrometer besitzt. Für den Einsatz im Smartphone ist die Zelle aber nicht geeignet.

Je kleiner, desto besser, gilt für Akkuzellen. Denn durch die geringe Größe lassen sich unvermeidbare Ausfälle einzelner Zellen besser verkraften. Außerdem erhalten die Designer mehr Freiheit: Wer ein schickes Smartphone konstruieren will, ohne dessen Laufzeit einzuschränken, braucht einen in der räumlichen Ausdehnung möglichst flexiblen Akku. Doch wie weit kommt die Technik bei der Miniaturisierung des Energiespeichers? Die Aufgabe ist nicht so einfach lösbar. Während elektronische Bauelemente sogar von wenigen Ladungsträgern profitieren - das bedeutet auch weniger Leckstrom und geringere Wärmeentwicklung -, sind die Ladungsträger beim Akkumulator beinahe im Wortsinn das Salz in der Suppe.

Akkus speichern Energie auf chemische Weise. Dabei nutzt man aus, dass Metalle (oder Metallverbindungen) ein unterschiedliches Bestreben haben, sich in eine Lösung zu begeben. Akkumulatoren bestehen deshalb aus zwei Halbzellen, zwischen denen sich wegen der unterschiedlichen Konzentration der Metallionen ein Ladungsgefälle aufbaut, ein Potenzial.

Verbindet man nun die beiden Metallelektroden elektrisch, gleicht ein Elektronenfluss die Potenzialdifferenz aus. Bei einer Batterie (Primärzelle) ist dieser Vorgang unumkehrbar. Bei einem Akkumulator (Sekundärzelle) lassen sich die chemischen Vorgänge durch einen Stromfluss in umgekehrter Richtung rückgängig machen. Das funktioniert aber nie zu 100 Prozent - ein Akku verliert deshalb mit der Zeit an Kapazität.

Forscher entwickeln eine Nanopore

Bei der Miniaturisierung besteht nun das Problem darin, dass der prinzipielle Aufbau vorgegeben ist. Die beiden Halbzellen und das Elektrolyt lassen sich nicht ersetzen. Zudem ist zwischen Anode und Kathode ein gewisser Mindestabstand wünschenswert. Im Fachmagazin Nature Nanotechnology zeigen Forscher der University of Maryland jetzt eine vielversprechende Bauform: die Nanopore. Die Wissenschaftler haben winzigste Akkumulatorzellen konstruiert, indem sie zunächst rund 250 Nanometer durchmessende, 50 Mikrometer lange Poren in Aluminiumoxid als Trägermaterial erzeugten. An beiden Enden jeder Pore deponierten die Forscher dann Ruthenium als leitendes Material, über das sich die Zelle laden und entladen lässt. Als Kathode diente an einem Ende Vanadiumoxid (V2O5), am anderen Ende mit Lithium versetztes Vanadiumoxid. Das Elektrolyt bestand aus einer Lösung von LiPF6 in Ethylencarbonat und Diethylcarbonat.

Das Ergebnis kann in vielen Aspekten durchaus mit modernen Lithiumzellen mithalten. So konnten die Forscher eine spezifische Kapazität von 147 Milliampérestunden pro Gramm nachweisen - das liegt im Bereich von Lithium-Ionen-Zellen. Wie schnell die Kapazität mit der Zahl der Entladezyklen sinkt, hängt stark vom Entladestrom ab: Entnimmt man den Nanozellen in kurzer Zeit viel Energie, sinkt ihre Kapazität pro Zyklus um 46 Prozent. Bei langsamer Entladung hingegen liegt ihre Kapazität auch nach 1.000 Zyklen noch bei 81 Prozent.

Pro Quadratzentimeter könnte man zwei Milliarden dieser Zellen unterbringen - auf die Fläche einer Briefmarke würden also mehrere Milliarden der Nano-Akkus passen. Mit einer Dicke von 50 Mikrometern ist das Akkufeld auch gut mit Papier vergleichbar. Da sich die Gesamtenergie eines Akkus allerdings über die spezifische Kapazität aus der Gesamtmasse seiner Reaktionselemente berechnet, wäre mit einer solchen Akkubriefmarke noch lange kein Smartphone zu betreiben. Die Technologie hätte aber den Vorteil, dass sie besonders flexibel einsetzbar ist - damit könnten Designer wirklich jeden Kubikmillimeter freien Raumes als Energiespeicher nutzen.