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Akku-Technik: Festkörperbatterie des MIT soll die Reichweite von E-Autos vervierfachen

stern-Logo stern 19.02.2020 Gernot Kramper
Lithium-Ionen-Batteriemodule (Symbolbild) © Getty Images/ Pasha Pechenkin Lithium-Ionen-Batteriemodule (Symbolbild)

Forscher des MIT haben eine Batterie entwickelt, die eine wesentlich höhere Energiedichte als konventionelle Batterien ermöglicht. Ein System aus Nanoröhren zwingt das Lithium des Akkus in eine feste Struktur.

An der Batterietechnik wird weltweit fieberhaft geforscht. An besseren Speichern hängt nicht allein die Verfügbarkeit von Smartphones und die Reichweite von Elektroautos – der Umstieg auf erneuerbare Energie hängt davon ab, ob es gelingt, die Energie, die natürlich erzeugt wird, "zwischenzulagern", um so Stromproduktion und Stromverbrauch zu harmonisieren.

Derzeit kann man dazu nur Speicherseen nutzen. Schweizer Ingenieure tüfteln an einem Konzept gigantischer Speichertürme, die den Strom von Windenergieanlagen speichern sollen. (Lesen Sie hierzu: "Haben Schweizer das größte Problem sauberer Energie gelöst?") Neben ganz neuen Ansätzen in der Speichertechnik wird an vielen Stellen versucht, die Technik der heutigen Lithiumbatterien zu verbessern.

Ein Ansatz ist es dabei, die flüssigen Komponenten gegen feste Stoffe auszutauschen. Das soll die Energiedichte der Zellen erhöhen, man kann also mehr Strom pro Kilogramm Batterie speichern. Außerdem soll auf diese Weise die Lebensdauer und die Sicherheit der Batterien verbessert werden.

Fest statt flüssig

Wissenschaftler am MIT berichten über einen Durchbruch ihrer Forschung. Eine neuartige Festkörperzelle soll die Probleme früherer Ansätze überwinden. Das neue Konzept stammt aus dem Labor von Ju Li, es wurde in der Zeitschrift "Nature Energy" vorgestellt.

In einer normalen Lithiumbatterie bewegt sich ein flüssiger Elektrolyt zwischen Anode und Kathode hin und her, wenn die Batterie geladen und entladen wird. Das flüchtige Material ist in Hinsicht auf Batteriebrände problematisch. Gelingt es, die heute benutzten Elektrolyten zu ersetzen, wäre es auch denkbar, das Material der Anoden zu verändern. Das Ziel ist eine Anode aus reinem Lithium, sie würde eine weit höhere Energiedichte als die heute verwendeten Materialmixe ermöglichen. "Es gibt viele Arbeiten an Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Elektroden und festen Elektrolyten", sagt Li, aber all diese Versuche seien auf eine Reihe von Problemen gestoßen.

Material wird brüchig

Eines der größten Probleme besteht darin, dass sich beim Aufladen der Batterie Atome im Inneren des Lithiummetalls ansammeln, wodurch es sich ausdehnt. Beim Entladen schrumpft das Metall dann wieder, wenn die Batterie benutzt wird. Dieses Auf und Ab der Abmessungen führt dazu, dass das Material brüchig wird.

Dieses Problem soll die neue Batteriearchitektur des MIT überwinden. Sie ist eine komplexe technische Lösung im Nanobereich. Hier besteht die Anode aus verschiedenen festen Materialien, die als Leiter und Isolatoren fungieren, sie bauen eine wabenförmige Struktur aus Nanoröhrchen auf. Das massive Lithiummetall wird die Röhren eingebracht und hat innerhalb der Röhren genügend Raum zur Ausdehnung.

Bienenwaben in Nano-Dimensionen

"Wir haben eine Struktur entworfen, die dreidimensionale Elektroden in Form einer Wabe ermöglicht", sagt Ju Li, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am MIT. Die Hohlräume in jeder Röhre der Struktur ermöglichen es dem Lithium, "nach hinten in die Röhren zu kriechen, so baut sich keine Spannung auf, die den festen Elektrolyten aufbricht".

Den Forschern zufolge kombiniert dieser Aufbau Eigenschaften von Festkörpern mit denen von Flüssigkeiten. Das Lithium verhält sich wie eine Flüssigkeit und wird von den kleinen Röhren dabei in einer festen kristallinen Struktur gehalten. Das sich ausdehnende und zusammenziehende Lithium bewegt sich in den Röhren wie die Kolben eines Automotors in ihren Zylindern, erläutert Li.. Da diese Strukturen im Nanobereich aufgebaut sind, ist das Ergebnis wie "ein Motor mit 10 Milliarden Kolben, mit Lithiummetall als Arbeitsflüssigkeit", so Li. Die Idee, schwierige Stoffe in Nanoröhren zu bändigen, wurde vor kurzem genutzt, um eine Membran vorzustellen, die Energie aus dem Delta von Flüssen gewinnt. (Lesen Sie hierzu: "So kann man die Energie von 2000 Atomkraftwerken aus Flusswasser gewinnen")

Vierfache Energiedichte

Beim Lade- und Entladevorgang bleibt die Anode in der Form stabil und verzichtet vollkommen auf einen flüssigen Elektrolyten. "In unserem Fall ist wirklich alles fest", sagt Li. "Es ist weder flüssig, noch gelartig."

Er erwartet, dass eine Batterie des neuen Typs nur ein Viertel des Gewichtes herkömmlicher Akkus bei gleicher Ladung hat. Umgekehrt könnte man formulieren: Bei gleichen Dimensionen des Akkus kann ein E-Auto damit die vierfache Reichweite erzielen.

Quelle: Nature Energy

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