Bessere Batterien dank Nanostrukturen

News: Bessere Batterien dank Nanostrukturen

Schon blöd, wenn das Handy auf einmal nicht mehr funktioniert, weil der Akku am Ende ist. Wiederaufladbare Batterien sind zwar sehr praktisch, aber mit der Zeit nimmt ihre Leistungsfähigkeit immer weiter ab, bis sie schließlich gar keinen Strom mehr liefern. Französische Forscher haben nun aus Übergangsmetalloxiden Elektroden hergestellt, in denen sich Nanostrukturen bilden. Diese sorgen dafür, dass sich die Akkus bis zu hundert Mal wieder vollständig aufladen lassen und auch danach nur langsam nachlassen.

Wiederaufladbare Batterien – meist einfach Akkus genannt – sind aus der Technik heute nicht mehr wegzudenken. Sie versorgen eine ständig steigende Zahl aller erdenklichen tragbaren Elektrogeräte mit Strom. Doch oft ist der Spaß von kurzer Dauer, da sich die kleinen Stromerzeuger mit der Zeit immer schlechter aufladen lassen, bis sie schließlich nicht mehr genug Spannung erzeugen. In den modernen Lithium-Ionen-Akkus sind Ansammlungen von Legierungen und passive Schichten dafür verantwortlich, dass das Lithium nicht mehr richtig in die Elektroden eindringen kann und dass diese sich langsam zersetzen.

Französischen Festkörperforschern ist es nun gelungen, ein neues Elektrodenmaterial zu entwickeln, das erlaubt, bis zu hundert Mal hundertprozentig die Ausgangsspannung wieder zu erreichen. Auch danach noch bieten ihre Batterien dank der neuen Substanz nahezu die volle Kapazität (Nature vom 28. September 2000). Die positive Elektrode der Versuchsanordnung von Jean-Marie Tarascon und seinen Mitarbeitern vom Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides von der Université de Picardie Jules Verne enthielt einige Milligramm Oxide von Kobalt, Nickel Kupfer oder Eisen und zehn Prozent Kohlenstoff in einer 75 Mikrometer dünnen Scheibe mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter. Ein gleich großes Lithiumblech bildete die negative Elektrode. Den Grund für die Leistungssteigerung sehen die Forscher in der Veränderung der Metalloxide. Zu Beginn eines Experiments lagen sie als Pulver vor, deren Körnchen Größen zwischen 100 und 200 Nanometer hatten. Nach der ersten Entladung haben sie sich auf ein hunderstal davon verkleinert. Diese Nanopartikel bleiben im weiteren Versuchsverlauf erhalten. Tarascon und seine Mitarbeiter vermuten, dass die Teilchen wegen ihrer Winzigkeit gegenüber Lithium so reaktiv sind. Mit abnehmender Teilchengröße steigt die Zahl der Atome an der Oberfläche, sodass die Reaktivität zunimmt.

Nicht nur praktische Anwendungen werden dieser Arbeit folgen, prophezeien die Forscher, sie erlaube auch Erkenntnisse grundlegender Art. Denn die Reaktionen unterscheiden sich deutlich von klassischen Mechanismen. Bisher galt Lithiumdioxiod als elektrochemisch unspaltbar. Auch den Franzosen war dies nicht gelungen. "Jedoch sollte man Vorsicht walten lassen, wenn man mit Materialien im Nanoformat zu tun hat, weil chemische und physikalische Vorgänge ganz anders ablaufen", erläutern die Forscher. Gold zum Beispiel schmilzt normalerweise bei 1 064 Grad Celsius. Beträgt der Durchmesser der Klümpchen aber weniger als zwei Nanometer, so sinkt die Schmelztemperatur auf unter 200 Grad Celsius. Somit könnte es an der Winzigkeit der Strukturen liegen, dass sich Lithiumdioxiod leichter spalten lässt.

"Wir erwarten, dass die Verwendung von Nanopartikeln, die Übergangsmetalle enthalten, die Reaktivität an der Oberfläche verstärken und dadurch die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien verbessern wird", so die Forscher um Jean-Marie Tarascon. Zudem werden die Übergangsmetalle deutlich kleinere Akkus erlauben als kommerzielle Batterien mit einer Kohlenstoffelektrode. Denn die Metalle haben eine dreimal so hohe Dichte und pro Masse die doppelte Kapazität. Die neuen Bauteile wären pro Einheitsvolumen folglich sechsmal so leistungsfähig. Jetzt arbeiten die Wissenschaftler aber erst einmal daran, die Reaktivität der winzigen Teilchen zu optimieren.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 27.7.1999
"Haut kräftig in die Tasten!"
Spektrum Ticker vom 27.1.1999
"Starke Batterien"
Spektrum Ticker vom 3.4.2000
"Stromversorgung auf Protonisch"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Brennpunkt-Thema vom 7.8.2000
"Nano ist das Größte"
Spektrum der Wissenschaft 10/96, Seite 103
"Eine Lithium-Batterie mit neuem Funktionsprinzip"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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