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Batterien Schneller laden dank Ionen-Tunneln: Schwarzer Phosphor ist die neue Hoffnung der Akku-Revolution

Nicht nur E-Autos würden von einem Sprung in der Akku-Technik profitieren
Nicht nur E-Autos würden von einem Sprung in der Akku-Technik profitieren
© deepblue4you / Getty Images
Akkus sind sind eine der größten Hürden für den technologischen Fortschritt – und das in mehrerer Hinsicht. Eine Forschergruppe hat nun einen neuen Hoffnungsträger vorgestellt: Schwarzer Phosphor könnte die Ladezeiten drastisch senken.

Vom In-Ear-Kopfhörer über Staubsauger bis zum Luxusauto: Immer mehr Alltagsgegenstände setzen auf Akkus als Stromvorsorge. Doch auf dem Weg zu einer wirklich komplett drahtlosen Welt gilt es noch einige Hürden zu meistern. Am Wichtigsten sind Batterien. Aktuelle Akku-Technologien fassen für viele denkbare Einsatzzwecke zu wenig Strom, laden zudem langsamer als wünschenswert. Eine aktuelle Studie schlägt nun eine neue Lösung vor, um zumindest letzteres Problem zu lösen.

Die Ladegeschwindigkeit ist vor allem beim Umstieg auf Elektrofahrzeuge ein echtes Problem. Während ein Benziner an der Tankstelle in wenigen Minuten für Hunderte Kilometer betankt wird, braucht ein Elektrofahrzeug dafür im schlechtesten Fall Stunden. Weil dann noch die Reichweite pro Ladung niedriger ist, sind die Strom-Autos für Langstrecken noch keine echte Alternative. Nun ist es Forschern gelungen, die Ladezeit deutlich zu reduzieren.

Hoffnungsträger Phosphor

Das aus Wissenschaftlern mehrerer chinesischer und US-amerikanischer Universitäten bestehende Team präsentierte in der neuesten Ausgabe des Fachmagazins "Science" einen neuen Kandidaten zur Revolution des Schnellladens: schwarzen Phosphor. Das Material gilt wegen verschiedener Eigenschaften schon länger als guter Kandidat für Akku-Komponenten, bisher war es aber niemandem gelungen, die Vorteile nutzbar zu machen. Doch genau das scheint den Forschern nun gelungen zu sein.

Die beiden interessantesten Eigenschaft des schwarzen Phosphors sind sein atomarer Aufbau sowie die Anordnung der Atome zueinander. Aktuelle Akkus setzen auf Graphen, bei dem sich Kohlenstoff-Atome in flachen Schichten anordnen, die nur ein Atom dick sind. Die Elektronen der Kohlenstoff-Atome interagieren nun mit Lithium-Ionen, wodurch sie sich als Energiespeicher nutzen lassen. Schwarzer Phosphor hat gleich zwei Vorteile gegenüber diesem Verfahren. Zum einen besitzen die Atome mehr Elektronen, können daher mit mehr Ionen interagieren. Zum anderen bildet schwarzer Phosphor eine deutlich komplexere Struktur. Die Atome ordnen sich in harten Winkeln zueinander an. So bilden sie Flächen, die von einer Art "Tunnel" durchzogen sind. Und die dadurch einen deutlich schnelleren Transport der Ionen durch die Flächen ermöglichen.

Soviel war auch schon vor der aktuellen Studie bekannt. Bisher ließen sich die Vorteile aber nicht nutzen. Einerseits "verklumpten" die Kanäle zwischen den Atomen schnell, andererseits weitete sich der Phosphor zu sehr aus, um in Batterien benutzt zu werden, erklären die Forscher. Beides wollen sie nun behoben haben. Dazu zerrieben sie schwarzen Phosphor und mischten bis zu 15 Prozent Graphen unter. Die durch Reaktion der beiden Stoffe entstandenen Strukturen beschichten sie mit einem dünnen, mit flüssigen Elektrolyten versetzen Polymer-Film. Und tatsächlich: Die so geschaffene Elektrode nahm mehr Energie auf und blieb zudem auch über 2000 Ladezyklen enorm stabil. Dass dabei die Vorteile des schwarzen Phosphor erhalten blieben, zeigte ein Gegenmodell, bei dem der anders aufgebaute rote Phosphor verwendet wurde: Es konnte nur ein Drittel der Energiedichte des schwarzen erreichen.

Supercharger mit mehr Speicher

Der Effekt ist deutlich messbar. Lud man die Phosphor-Elektrode in den bisher üblichen Raten, wies sie eine dreimal so hohe Kapazität auf, wie eine gleichschwere Lithium-Ionen-Elektrode. Beim extremen Schnellladen nahm der Vorsprung zwar ab, sie hielt aber immer noch mehr als die eineinhalbfache Menge Energie der reinen Graphen-Lösung. Und: Die Experimente erfolgten nach 2000 Ladezyklen. Die Neuentwicklung hält also auch ziemlich lange durch. Die Ergebnisse ließen sich auch dann wiederholen, als die Forscher sie nicht mehr nur an einer Elektrode durchführten, sondern auch eine kleine Batterie zusammenbauten.

Ob der Phosphor als Akku-Revolution taugt, wird sich erst noch beweisen müssen. Die aktuellen Experimente legen nur der Grundstein für weitere Schritte. Die Technologie muss schließlich nicht nur funktionieren, sondern auch in größerem Maßstab sowie zuverlässig und bezahlbar in Massenproduktion umsetzbar sein, um wirklich eine Chance auf dem Markt zu haben. Daran scheiterten schon viele andere der neuen Ansätze für Batterien in den letzten Jahren. Auf Dauer dürfte es trotzdem nur eine Frage der Zeit sein, bis einer Innovation wirklich zündet.

Quelle: Science


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