Der Super-Akku

Von Handys bis Elektroautos: Akkumulatoren spielen in der modernen Technik eine wichtige Rolle. Doch sie haben einen entscheidenden Nachteil: Im Gegensatz zu Kondensatoren besitzen sie nur eine geringe Leistungsdichte. Zwei amerikanische Forscher haben nun ein Material entwickelt, das eine rasche Auf- und Entladung von Lithium-Akkus möglich macht.

"Akkumulatoren können eine große Menge an Energie speichern", erläutert Gerbrand Ceder vom Massachusetts Institute of Technology im amerikanischen Cambridge, "deshalb kann man mit einem Elektroauto lange fahren. Aber die Leistungsdichte ist gering - deshalb kann man nicht stark beschleunigen." Zudem dauert die Aufladung der Akkus bei einem Elektroauto mehrere Stunden.

Lithium-Akkus enthalten Lithium-Metalloxide, aus denen beim Ladevorgang Lithium-Ionen extrahiert werden. Umgekehrt müssen die Lithium-Ionen, die zumeist in Graphit gespeichert werden, bei der Entladung des Akkus wieder in das Metalloxid zurück wandern. Was beschränkt nun das Tempo der Auf- und Entladung? Bislang gingen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Lithium-Ionen einfach nicht schnell genug durch das Metalloxid hindurch bewegen können.

Doch vor fünf Jahren machte Ceder mit seiner Arbeitsgruppe eine überraschende Entdeckung: Computersimulationen von Lithium-Eisen-Phosphat, einem Standardmaterial für Lithium-Akkus, zeigten nämlich, dass sich die Lithium-Ionen darin im Gegensatz zu den Erwartungen sogar extrem schnell bewegen sollten. "Wenn der Transport der Ionen so schnell geht, dann musste das Problem also an anderer Stelle liegen", so Ceder.

Mit weiteren Untersuchungen kam der Forscher dem Problem schließlich auf die Spur. Die Lithium-Ionen können, so fand er heraus, nur an bestimmten Stellen des Kristallgitters durch das Metalloxid hindurch wandern. Dadurch kommt es an der Oberfläche des Materials gewissermaßen zu einem Stau: Nur die wenigen Ionen, die sich direkt an einem "Eingang" des Kristallgitters befinden, können rasch in das Metalloxid eindringen.

Gemeinsam mit seinem Studenten Byoungwoo Kang entwickelte Ceder nun ein Verfahren, um diesen Engpass zu beseitigen und so eine rasche Auf- und Entladung des Lithiumeisenphosphats zu ermöglichen. Die beiden Forscher präsentieren ihr Verfahren in der aktuellen Ausgabe von "Nature". Kang und Ceder verwenden eine Beschichtung aus glasartigem Lithiumphosphat, um den Transport der Lithiumionen an der Oberfläche des Metalloxids zu beschleunigen.

Um den Nutzen des Verfahrens zu demonstrieren, haben die beiden Forscher einen kleinen Akku aus dem neuen Material gebaut. Innerhalb von 10 bis 20 Sekunden, so berichten sie, ließ sich der Akku jeweils vollständig aufladen oder entladen. Ohne die Beschichtung dauerte der Vorgang dagegen jeweils sechs Minuten.

"Die Möglichkeit, Akkumulatoren statt im Verlauf von Stunden innerhalb von wenigen Sekunden aufzuladen oder zu entladen ermöglicht neue technische Anwendungen und kann einen großen Einfluss auf unser tägliches Leben haben", meint Ceder. Da das von Ceder und Kang verwendete Material Lithiumeisenphosphat nicht neu ist, sondern bereits für Akkus verwendet wird, rechnen die Forscher mit einer schnellen Kommerzialisierung des Verfahrens. Schon in drei Jahren könnte der Super-Akku zur Marktreife gelangen.

Rainer Kayser


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder: Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature 458, 190 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature07853
• B. E. Conway: Transition from supercapacitor to battery behavior in electrochemical energy-storage. Journal of the Electrochemical Society 138, 1539 (1991)
• J. M. Tarascon und M. Armand: Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 414, 359 (2001)
• Massachusetts Institute of Technology:
  http://web.mit.edu/

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