Höhere Kapazität mit mehrwandigen Mikrokugeln

Lithiumionen-Akkus sind die besten verfügbaren mobilen Strom­speicher. Doch um Elektro­autos zuver­lässig weiter als drei­hundert Kilo­meter anzu­treiben, sind deutliche Kapazitäts­steigerungen nötig. In zahl­reichen Laboren suchen Forscher daher welt­weit nach besseren Materialien für Kathode und Anode. Eine Arbeits­gruppe der Chinesischen Akademie der Wissen­schaften schlägt nun Vanadium­oxid vor, das in mehr­wandigen Mikro­kugeln in eine Kathode integriert werden könnte. Erste Versuche zeigten, dass sie damit das Problem der geringen Halt­bar­keit von Vanadium­oxid-Elektroden ansatz­weise in den Griff bekommen konnten.

Heute bestehen die Kathoden in Lithiumionen-Akkus meistens aus Lithium­kobal­toxid und Lithium­eisen­phosphat. Die spezi­fische Lade­kapazität für diese Materialien rangiert deutlich unter 200 mAh/g. Vanadium­oxid mit einge­lagerten Lithium­ionen hingegen erreicht mindestens die doppelte Lade­kapazität und würde damit besser zu Graphit, dem heute bevorzugtem Anoden­material, mit einer spezi­fischen Lade­kapazität von 372 mAh/g passen.

Jiangyan Wang und seine Kollegen griffen für die Produktion der mehr­wandigen Partikel aus Vanadium­oxid zuerst zu Mikro­kugeln aus Kohlen­stoff. Diese verteilten sie in einer Lösung aus Ammonium­vanadat. Nach mehreren Prozess­schritten – Ultra­schall­behandlung, Aufheizen, Waschen, Trocknen – entstanden zuerst einwandige Mikro­kugeln mit großen Vanadium­oxid-Anteilen. Wurde dieser Prozess wiederholt, erhielten die Forscher bis zu drei­wandige Mikro­kugeln. Das Träger­material aus Kohlen­stoff konnte über eine Hitze­behandlung entfernt werden, so dass die gewünschten Hohl­kugeln zurück­blieben.

Diese Vanadiumoxid-Mikrokugeln nutzten die Wissen­schaftler nun als Kathoden­material, als Anode wählten sie wie bei herkömm­lichen Akkus Graphit. Über hundert Lade­zyklen zeigten diese Proto­typen deutlich höhere spezi­fischen Lade­kapazitäten als Akkus mit Kathoden aus Kobalt­oxid. Mit den drei­wandigen Mikro­kugeln konnten Werte von 447,9 mAh/g bei einer Strom­dichte von 1000 mA/g erreicht werden. Selbst nach hundert Lade­zyklen konnte eine hohe Kapazität von 402,4 mAh/g gemessen werden. Das entsprach einer geringen Verlust­rate von gerade einmal 0,1 Prozent pro Zyklus.

Über hundert Ladezyklen konnten diese Prototypen aller­dings nur selten erreichen, da durch die Phasen­wechsel während der Einlagerung der Lithium­ionen struktu­relle Schäden an der Kathode auftraten. Die Forscher hoffen aber, dieses Problem mit besser struktu­rierten Kathoden beheben zu können. Sollte dieser Schritt gelingen, hat Vanadium­oxid das Potenzial für Lithium­ionen-Akkus mit etwa der doppelten Speicher­kapazität als heute verfüg­bare Systeme mit Lithium­kobalt­oxid.

Parallel zu diesen Ansätzen mit mikrostrukturierten Metall­oxid-Elektroden wird auch an Lithium-Schwefel und Lithium-Luft-Akkus gearbeitet. Diese versprechen – gemäß den theore­tischen Daten – sogar eine Verviel­fachung der Speicher­kapazität. Doch über erste Labor­proto­typen reichen die Ergeb­nisse bisher nicht hinaus. Und von einer Zyklen­festig­keit von über 2000 sind diese heute noch exo­tischen Systeme weit entfernt.

Jan Oliver Löfken

RK