Leistungsstarke Lithium-Akkus

Bessere Elektrodenmaterialien können die Entladungsrate von Lithiumionen-Akkus deutlich erhöhen

Cambridge (USA) - Lithiumionen speisen Handys und Laptops über Stunden und Tage mit Strom. Doch an Geräte mit größerem Leistungshunger wie Elektroautos oder Werkzeuge geben diese Akkus ihren Saft nicht schnell genug ab. Amerikanische Wissenschaftler suchten daher nach besseren Elektrodenmaterialien, um die Entladungsrate deutlich zu erhöhen. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, fanden sie in neuen Kathodenwerkstoffen mit Mangan- und Nickelanteilen gute Kandidaten für zukünftige Höchstleistungsbatterien.

"Durch die Veränderung der Kristallstruktur erreichten wir unerwartet eine höhere Verfügbarkeit an Ionen", schreiben Kisuk Kang und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Bisher nutzen Akkuhersteller meistens Lithiumkobaltoxid. Werden die Kobaltatome jedoch gegen Mangan und Nickel ersetzt, konnte die Beweglichkeit der stromspendenden Lithiumionen um mehr als das 50 fache erhöht werden. Sowohl ab-initio-Berechnungen als auch erste Experimente mit Elektroden aus Lithiummangannickeloxid (Li(Ni _0,5Mn _0,5)O ₂)belegten diese Eigenschaft.

Den Grund sehen die Forscher im kristallinen Aufbau des Metalloxids für die Kathode: Die Lithium-Atome sind oktaedrisch angeordnet. Für die Beweglichkeit der Lithiumionen sind die Zwischenschichten aus Sauerstoff und bisher aus dem Metall Kobalt von zentraler Bedeutung. Die aktuellen Messungen zeigten, dass die Lithium-Ionen in Kontakt mit Nachbarn aus Nickel leichter zwischen den Schichten springen können als bei Kobaltnachbarn. Dadurch könne, so die Forscher, in kürzeren Zeiträumen mehr Leistung aus einem entsprechenden Lithium-Ionen-Akku abgezogen werden.

Bei dieser neuen Elektrode bleiben die Vorteile von heute üblichen Lithiumionen-Akkus - kein Memory-Effekt und schnelle Ladungszeiten - erhalten. Bevor dieses neue Elektrodenmaterial in der Industrie Anwendung in leistungsfähigeren Akkus findet, müssen allerdings noch die Temperaturstabilität und die mögliche Anzahl der Ladungszyklen erhöht werden.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Lithiumionen-Technologie noch lange nicht ausgereizt ist. "Allein in den vergangenen zehn Jahren hat sich die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus verdoppelt", sagt Magret Wohlfahrt-Mehrens, Batterie-Expertin beim Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm. Mit Energiedichten von rund 180 Milliampérestunden pro Gramm und ohne Memoryeffekt, der das Aufladen erst bei fast leerem Akku ermöglichte, haben Lithium-Ionen die alten Metallhydridsysteme aus der mobilen Elektronik de facto verdrängt.

Mit großen Produktionskapazitäten dominieren Japan und Korea (Sony, Sanyo, Panasonic, LG, Samsung) den Markt. Für die kommenden Produkte ersetzte Sanyo die klassische Grafit-Anode in der wiederaufladbaren Batterie durch nanokristallines, amorphes Silizium. Damit können bei vergleichbarem Gewicht fast zehnmal mehr Lithium-Ionen aufgenommen werden. Experten erwarten mit diesen Entwicklungen einen weiteren Preisverfall der Lithium-Ionen-Systeme und größere Speichersysteme beispielsweise für Elektroautos, um die bisher verwendeten schweren Blei-Akkus zu ersetzen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. Kang et al., Electrodes with High Power and High Capacity for Rechargeable Lithium Batteries, Science 311, 977 (2006). 
• Massachusetts Institute of Technology: 
  http://www.mit.edu 
• Department of Materials Science and Engineering, MIT: 
  http://www-dmse.mit.edu 
• Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW):
  http://www.zsw-bw.de

Weitere Literatur:

• M. S. Whittingham, Science 192, 1126 (1976). 
• Van der Ven, G. Ceder, Electrochem. Solid-State Lett. 3, 301 (2000). 
• Z. Lu, D. D. MacNeil, J. R. Dahn, Electrochem. Solid-State Lett. 4, A191 (2001). 
• Y. Makimura, T. Ohzuku, J. Power Sources 156, 119-121 (2003). 
• J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 149, A778 (2002). 
• J. Jiang, K. W. Eberman, L. J. Krause, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 152, A1879