Batterien mit dicken Elektroden lösen großes Akku-Problem

Wie viel Energie eine Batterie speichern kann, kommt u.a. auf die Elektroden an. Forscher setzen hier nicht nur auf verschiedene Materialien, sondern auch auf unterschiedliche Elektrodendicken. Einem Team aus den USA ist dabei kürzlich ein Durchbruch gelungen. Sie entwickelten eine Batterie mit besonders dicken Elektroden, die eine besonders hohe Energiedichte hat.

"Traditionell macht das aktive Elektrodenmaterial nur 30 bis 50 Prozent einer kommerziellen Batteriezelle aus", sagt Forscher Hongtao Sun in einer Aussendung. "Indem wir einfach die Elektrode dicker machen, können wir die Gesamtmenge des aktiven Materials erhöhen und die Gesamtenergie der Batterie steigern."

Dicke Elektroden bergen mehrere Herausforderungen

Ganz so einfach ist es allerdings nicht. Denn je dicker eine Elektrode ist, desto schwieriger ist es für elektrisch geladene Teilchen, durch sie hindurchzubewegen. Bislang mussten dicke Elektroden daher sehr porös sein - mit mehr als 40 Prozent Hohlräumen. Das verringert wiederum die Menge an aktivem Material und die Gesamtkapazität der Batterie nimmt ab.

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Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Sun und sein Team eine gelartige Flüssigkeit, die die Elektrode durchzieht. Das Gel dient den Ladungen quasi als Autobahn, auf der sie schnell von A nach B kommen. "Dadurch können wir die Energieausbeute steigern und gleichzeitig die Dichte und Dicke erhöhen, wodurch eine Einschränkung der derzeit handelsüblichen Elektroden überwunden wird", sagt Sun. 

Hohe Energiedichte

Um das Gel in die Elektrode zu bekommen, nutzen die Forscher verschiedene flüssige Zusatzstoffe und erhitzen die Mischung auf etwa 120 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur bildeten sich die Adern im Elektrolyten. Die Elektroden konnten so nicht nur 5 bis 10 Mal dicker und doppelt so dicht wie bei herkömmlichen Batterien gemacht werden, sie wurden auch stabiler. 

"Wir konnten die Zähigkeit um den Faktor 10 erhöhen und die Bruchfestigkeit der Elektrode im Vergleich zu heißgepressten Elektroden ohne flüssigen Zusatzstoff um das Dreifache verbessern", sagt Sun. Die Energiedichte lag bei über 500 Wattstunden pro Kilogramm (auf Zellebene). Das entspricht mehr als dem Doppelten normaler Lithium-Ionen-Batterien. Mit solchen Energiedichten sei die Reichweitenangst bei E-Autos kein Thema mehr, so Sun.

Keine Angabe zur Lebensdauer

Laut Sun verhindert das Gel auch, dass sich die Elektroden während des Lade- und Entladevorgangs zu sehr abbauen. Zur genauen Lebensdauer gibt es aber keine Informationen. Für den Einsatz in E-Autos sollte die Gesamtkapazität auch nach mehr als 1.000 Lade- und Entladezyklen immer noch bei 80 Prozent oder mehr liegen. Laut Sun ist die Elektrodenherstellungstechnik des Teams kostengünstig und auf Rolle-zu-Rolle-Verfahren skalierbar.