Neue Lithium-Elektroden verdoppeln Akkulaufzeit

In den positiven Elektroden (Kathoden) moderner Lithium-Ionen-Akkus werden bereits Lithium-Verbindungen verwendet. Auch im Elektrolyt kommt Lithium vor, was den Energiespeichern ihren Namen verleiht. Ein Einsatz als negative Elektrode (Anode) war bislang aber nicht möglich, weil das reaktionsfreudige Leichtmetall anfällig für Kurzschlüsse und die daraus resultierende, unter Umständen explosive Zerstörung der Zellen ist.

Die Lithium-Ionen, die sich während des Ladevorgangs an der Anode sammeln, dehnen das Elektrodenmaterial aus. Bei Lithium-Anoden ist dieser Effekt besonders ausgeprägt. Das beschädigt die Elektrode, was zu Kurzschlüssen führt. Zudem reagieren Anoden aus Lithium mit dem Elektrolyt, was zu einer starken Erhitzung führen kann und die Lebensdauer der Akkus empfindlich verringert. Viele Forschungseinrichtungen haben ihre Bemühungen in diese Richtung deshalb eingestellt. Heutige Anoden sind meist aus Graphit oder Silizium.

Perfekte Eigenschaften

Dabei ist Lithium seiner elektrischen Eigenschaften wegen das optimale Material für die Anoden in Akkus. "Von allen Materialien, die in einer Anode verwendet werden können, hat Lithium das größte Potenzial. Einige nennen es den 'heiligen Gral', weil es sehr leicht ist und die höchste Energiedichte auweist", sagt Yi Cui von der Universität Stanford. Die Forschungsgruppe um Cui hat es durch eine Beschichtung mit hohlen Kohlenstoff-Nanokügelchen geschafft, stabile Anoden aus reinem Lithium herzustellen, wie engadget schreibt. Diese Schutzschicht ist lediglich 20 Nanometer dick, wie phys.org schreibt. Das entspricht etwa dem Fünftausendstel eines menschlichen Haares. Die Kohlenstoff-Hülle verhindert eine Reaktion mit dem Elektrolyten und ist stark genug, um die Expansion und die darauf folgende Kontraktion der Elektrode unbeschadet zu überstehen, wodurch sie Schäden verhindert.

Die Kapazität von Akkus soll sich laut Aussagen der beteiligten Forscher so vervierfachen lassen. "Dadurch könnten in der Praxis Mobiltelefone gebaut werden, die zwei oder drei Mal so lange durchhalten, bevor sie wieder geladen werden müssen. Elektroautos könnten mit solchen Akkus preislich mit Vehikeln mit Verbrennungsmotoren mithalten", sagt ein beteiligter Forscher. Im Labor erreicht die Lithium-Anode aus Stanford bereits gute Haltbarkeitswerte, über 150 Ladezyklen nimmt die Kapazität kaum ab.

Bis die neuen Elektroden serienreif sind, ist aber noch weitere Forschung notwendig. "Mit zusätzlicher Ingenieursarbeit und neuen Elektrolyten können wie eine sichere und praktikable Lithium-Anode realisieren, mit der die nächste Generation wiederaufladbarer Batterien konstruiert werden kann", sagt Cui.