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Science
02/20/2020

Feststoff-Akku des MIT soll Reichweite von E-Autos vervierfachen

Ein neuer Ansatz könnte eine Lösung für bekannte Probleme mit Feststoff-Batterien darstellen.

In naher Zukunft sollen neuartige Feststoff-Akkus aktuelle Lithium-Ionen-Akkus ablösen. Die so genannten Solid-State-Batteries hätten eine Reihe von Vorteilen - von der Energieeffizienz bis zur Sicherheit. "Es gibt zwar viele Arbeiten an Feststoffbatterien mit Lithium-Metall-Elektroden und festen Elektrolyten", sagt Ju Li vom renommierten MIT. Doch all diese Versuche seien auf eine Reihe von Problemen gestoßen. Forschungsarbeiten von Li und seinem Team kommen nun mit einer vielversprechenden Neuentwicklung.

Reines Lithium

Gelingt es, den flüssigen Elektrolyt, der sich zwischen Anode und Kathode hin und her bewegt, durch ein anderes Material zu ersetzen, könnte auch ein anderes Material für die Anode verwendet werden. Das Ziel zahlreicher Forschungen ist es, eine Anode aus reinem Lithium zu verwenden, weil sie eine wesentlich höhere Energiedichte erlauben würde, als heute verwendete Materialmixe. 

Das Problem dabei sind Atome, die sich im Inneren des Lithiummetalls ansammeln, wenn die die Batterie geladen wird. Beim Entladen des Akkus zieht sich das Metall wieder zusammen. Dieses Ausdehnen und Zusammenziehen der Anode führt dazu, dass das Material brüchig wird.

Bienenwaben als Lösung

Das Team aus MIT-Wissenschaftlern hat es nun mit einer neuen Batteriearchitektur in Form einer Bienenwabe versucht. "Wir haben eine Struktur entworfen, die dreidimensionale Elektroden in Form einer Wabe ermöglicht", sagt Li.

Im Nanobereich haben die Forscher eine komplexe Struktur aus Bienenwaben geschaffen, in der sich das Lithiummetall in kleinen Röhren befindet. Dort hat es offenbar genug Platz, um sich auszudehnen, ohne dass das Material brüchig wird.

Das Lithium, das sich ausdehnt und zusammenzieht, bewegt sich in diesen kleinen Röhren ähnlich wie die Kolben eines Automotors in ihren Zylindern, erklärt der Forscher. Da sich all das im Nanobereich abspielt, wirken die komplexen Strukturen wie "ein Motor mit 10 Milliarden Kolben, mit Lithiummetall als Arbeitsflüssigkeit", erklärt Li.

Vierfache Reichweite

Das flüssige Elektrolyt in aktuellen Akkus lässt die Energiedichte sinken und erhöht zudem die Entzündbarkeit. Der Wissenschaftler erwartet, dass die neue Feststoffbatterie mit der Nano-Struktur lediglich ein Viertel des Gewichts herkömmlicher Lithium-Akkus bei derselben Kapazität erreicht.

Das würde bedeuten, dass ein E-Auto mit einer solchen Batterie die vierfache Reichweite hätte beziehungsweise ein Smartphone viermal länger durchhält, bevor es an die Steckdose muss. Die höhere Sicherheit könnte es zudem erlauben, zumindest teilweise auf einige Vorsichtsmaßnahmen wie Kühlung, schützende Stahlkonstruktionen oder Steuerungselektronik zu verzichten.