Röhrchen für den Akku

News: Röhrchen für den Akku

Ob Handy, Laptop oder Digitalkamera: Häufig stammt die Energie aus Lithium-Ionen-Akkus. Diese Batterien zeigen keinen Memory-Effekt und sind umweltfreundlicher als Nickel-Cadmium-Systeme. Sie haben sich auch deshalb durchgesetzt, weil sie viel Energie auf kleinem Raum speichern. Dabei könnte es sogar doppelt soviel sein, wie Forscher jetzt zeigten. Man muss nur den Graphit in den Akkus gegen Nanoröhren austauschen.

Martin Wieser

Konventionelle Lithium-Ionen-Akkus arbeiten mit Graphit, der stabilsten Modifikation des Kohlenstoffs. Er besitzt eine hohe Leitfähigkeit und nimmt während der Entladung Lithium auf – sechs Kohlenstoffatome sind dazu pro Lithiumatom nötig. Dabei bildet Lithium mit dem Graphit so genannte Interkalationsverbindungen, das heißt, es lagert sich reversibel in den Graphit ein. Wird der Akku aufgeladen, so verlässt das Lithium den Graphit wieder und wandert zur Gegenelektrode.

Das Verhältnis von sechs Kohlenstoff-Atomen zu einem Lithium-Atom begrenzt die Energiedichte des Graphits. Damit ist auch automatisch festlegt, wie lange eine aufgeladene Batterie durchhält. Will man den Ladezyklus verlängern, muss man also die Energiedichte dieser Elektrode erhöhen und Graphit gegen ein anderes Material austauschen. Genau hier setzten Hideo Shimoda und seine Mitarbeiter am Center for Nanoscale Materials der University of North Carolina an: Sie untersuchten, in wie weit sich Nanoröhrchen aus Kohlenstoff als Energiespeicher eignen.

Die Forscher bestätigten experimentell, was Moleküldynamik-Simulationen vorausgesagt hatten: Die Energiedichte der Nanoröhren übertrifft die von Graphit. Statt sechs Kohlenstoffatomen benötigen die Nanoröhren nur drei Kohlenstoffatome, um ein Lithiumatom zu speichern. Für die Herstellung der Stoffe bedienten sich die Wissenschaftler der Technik der Laserablation. Damit erzeugten sie einwandige Röhrchen aus Kohlenstoff, die sie anschließend im Ultraschallbad mit Nitriersäure behandelten. Dabei verkürzten sich die Röhrchen und bekamen Öffnungen an den Enden. Anschließend füllte das Team die Stoffe elektrochemisch mit Lithium auf.

Entscheidend für die hohe Kapazität der Kohlenstoffröhrchen sind offenbar die Öffnungen, die die Substanzen durch das Ätzen im Ultraschallbad erhalten. Denn während die unbehandelten Röhrchen die gleiche Aufnahmefähigkeit wie Graphit zeigten, nahmen die geätzten Pendants doppelt so viel Lithium auf. Shimoda und seine Kollegen schreiben dies den Öffnungen zu: Durch sie könne das Lithium in das Innere der Röhrchen diffundieren und somit mehr Platz für weiteres Lithium lassen.

"Jetzt müssen wir weiterarbeiten und praktische Hindernisse überwinden, bevor wir richtige Batterien bauen können", sagt Otto Zhou. "Aber wir sind sehr optimistisch." Allerdings dürfte der Preis der Nanoröhrchen auch noch ein Problem darstellen: Ein Gramm der Substanz kostet etwa 1500 US-Dollar. Daran gemesse ist sogar Gold mit circa zehn US-Dollar pro Gramm richtig billig.