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Batterie-Technologie 40 Prozent Ladung in 20 Sekunden: Sind ungeordnete Salze das Rezept für die Akku-Revolution?

Die Kristallstrukturen von Salzen erweisen sich auch bei Anoden als nützlich
Die Kristallstrukturen von Salzen erweisen sich auch bei Anoden als nützlich
© Michael Gruenwald / Getty Images
Die Grenzen der aktuellen Akku-Technologie halten auch andere technische Entwicklungen zurück. Eine Studie schlägt nun einen neuen Ansatz vor, der gleich mehrere Probleme aktueller Batterien lösen könnte.

Es ist eine der größten Hürden für den nächsten Technologie-Sprung: Die fast universal genutzten Lithium-Ionen-Batterien zwingen die Geräte zu schnell an die Steckdose, verhindern schlankere Bauformen und stellen bei zu rasanter Betankung sogar eine echte Gefahr dar. Kein Wunder, dass sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt den Kopf zerbrechen, um die Nachfolge-Technologie zu erfinden. Eine neue Studie schlägt dazu einen neuen Ansatz vor: So genannte ungeordnete Salze könnten viele Nachteile der Lithium-Ionen-Akkus überwinden.

Dabei setzen die Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in San Diego nicht auf eine völlig neue Technologie. In ihrer gerade im Fachblatt Nature vorgestellten Studie geht es um eine Weiterentwicklung der aktuellen Batterien. Auch im nun vorgeschlagenen Ansatz wird die Energie gespeichert und abgegeben, indem man die Lithium-Ionen von eine Kathode zu einer Anode und zurück wandern lässt. Neu ist allerdings der Aufbau der Anode. Er verbindet die wichtigsten Eigenschaften der aktuell am weitest verbreiteten Materialien - ohne ihre jeweiligen Nachteile.

Zwischen Graphen und Titan

Aktuell müssen sich Akku-Hersteller entscheiden: Nutzt man eine Graphen-Anode, lässt die sich zwar sehr dicht mit gespeicherten Energie füllen, bei einem zu schnelles Aufladen kann sie sich aber Entzünden. Die verbreitete Alternative, eine Lithium-Titan-Anode, hat das gegenteilige Problem: Sie lässt sich im Nu befüllen, speichert Energie aber wesentlich weniger effizient. Die Akkus sind sehr groß. Der neue Ansatz mit ungeordneten Salzen soll nun die Vorteile beider Technologien vereinen.

"Die Kapazität und Energie ist etwas niedriger als bei Graphen, dafür ist es aber schneller, sicherer und mit einer deutlich längeren Lebensdauer verbunden", erklärt Haodong Liu, der Hauptautor der Studie gegenüber "Science Daily". Die Wissenschaftler entwickelten eine Diode, die ähnlich wie ein Kochsalz aufgebaut ist. Man kann sie sich wie ein dreidimensionales Gitter vorstellen, bei dem an den Ecken Ionen sitzen. In klassischen Salzen ist dabei jede Ecke besetzt. Ungeordnete Salze sind vom Aufbau her gleich, halten aber immer wieder Ecken frei, die dann besetzt werden können. Weil sie dabei keinem Muster folgen, gelten sie als "ungeordnet".

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Diese Bauform hat einen großen Vorteil: Lässt man die Litium-Ionen auf sie strömen, finden die schnell einen Platz, an dem sie sich absetzen können, ohne dabei das Volumen der Struktur signifikant zu erhöhen. Andererseits konnten die Forscher aber auch zeigen, dass sie sich genauso schnell wieder ablösen ließen: In nur 20 Sekunden ließen sich 40 Prozent der so gespeicherten Ionen wieder abrufen - ohne dass die Anode dabei zu heiß wurde. Ein weiterer wichtiger Vorteil: Der Aufbau ist enorm stabil. Nach 1000 Ladungen, bei einem Smartphone also drei Jahren Nutzung, war immer noch 87 Kapazität vorhanden. Selbst nach 6000 Zyklen war die Batterie noch benutzbar.

Kommerzieller Einsatz in Vorbereitung

"Mit diesem Material können wir schnell-ladende, sichere Akkus mit einer langen Lebensdauer bauen, ohne allzu viel Energiedichte opfern zu müssen", heißt es in der Studie. "Dieses Material füllt eine wichtige Lücke in der Forschung und der Anwendung", erklärte der betreuende Professor Ping Liu "Science Daily". "Wir sind sehr enthusiastisch über die kommerziellen Einsatzmöglichkeiten, da das Material sich nahtlos in heutigen Bauprozessen einsetzen lässt." Die Akku-Hersteller müssten also nicht erst neue Fertigungsprozesse aufsetzen, wenn die neue Technologie produktreif ist.

Bis zu einem Marktstart wird es wohl noch ein wenig dauern. Die Forscher begannen zwar bereits vor sechs Jahren mit den Experimenten mit Salzen, es dauerte aber, den aktuellen Aufbau aus Lithium, Sauerstoff und Vanadium zu optimieren. Man sei aber sicher, dass sich noch andere Bauweisen finden ließen, erklären die Wissenschaftler. Die größte Herausforderung ist aktuell die geringe Leitfähigkeit des Materials. Sie muss noch erhöht werden, bevor sich effektiv nutzbare Batterien bauen lassen.

Der aktuelle Aufbau habe noch einen Nachteil, erklären die Forscher: Die so gebauten Batterien funktionieren am zuverlässigsten, wenn sie nach festgelegten Laderhythmen betankt werden. Das nun für die Kommerzialisierung der Idee gegründete Start-up Tyfast will sich deshalb zunächst auf Batterien für Einsatzzwecke konzentrieren, bei denen die Akkus immer zu bestimmten Uhrzeiten nicht genutzt werden. Ihr Fokus: Linienbusse und Elektrowerkzeug.

Quellen:Nature, Science Daily


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