SONDERAUSGABE "Fit for E-Volution" - konstruktion.de

TECHNOLOGIELithium-Ionen aufnehmen kann: DieGrundvoraussetzung für einen leistungsfähigenEnergiespeicher. Das zinnhaltigeMaterial kommt an der negativen Elektrode(der Anode) des Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. „Die Menge an Lithium-Ionen,die die Elektrode aufnimmtund speichert, ist entscheidend dafür, wieviel Energie die Batterie speichern kann,“erläutert Laboratoriumsleiter MaksymKovalenko. Mit dem Fokus darauf seiZinn ein ideales Material: „Ein Zinn-Atom ist in der Lage,mindestens vier Lithium-Atomeaufzunehmen“,soKovalenko.Leider wachse dabei auch sein Volumenum etwa das dreifache –eine unerwünschteNebenwirkung. Die Lösungdieses Dilemmas liegt in der Nanotechnologie:Dem Team gelang es,winzige Zinn-Kristalle einheitlicher Größe herzustellenund die nötige Menge entsprechend komprimiertin eine poröse Kohlenstoff-Matrixeinzubetten. In zahlreichen Versuchenmit daraus hergestellten Test-Elektrodenwurde schließlich die für eine leistungsfähigeBatterie ideale Größe der Zinn-Nanokristalleermittelt.Die nächsten Entwicklungsschrittekonzentrieren sich auf eine stabile Elektrolyt-Flüssigkeitsowie eine insgesamtkostengünstige Herstellung des Materials.„Unser Ziel ist es, Lithium-Ionen-Batterien mit erhöhter Speicherkapazitätund Lebensdauer zur Marktreife zubringen,“erklärt Maksym Kovalenko.Auf Zinn als Anodenmaterial setzenauch die Wissenschaftler unter der Leitungvon Professor Grant Norton an derWashington State University: Nach erstenTests im vergangenen Jahr hatten sieeine Verdreifachung der Kapazitätgegenüber aktuellen Li-Ion-Batterienproklamiert. Nun sollen die Versuche ineinem vor kurzem neu eingerichtetenLabor fortgesetzt und die Zinn-Anodefüreine Serienfertigung entwickelt werden.Umfassender angelegt präsentierensich zwei gleichartige Forschungsprojektebei Prieto Battery, einem Ableger derUniversity of Colorado und dem japanischenAutomobilhersteller Toyota: EineStruktur aus dreidimensionalen Feststoffensoll die umweltschädlichen Elektrolytenkonventioneller Lithium-Ionen-Akkus ersetzen und damit für eine deutlichhöhereEnergiedichte,kürzereLadezeitensowie eine längere Lebensdauersorgen. Sowohl in der Prieto- als auchder Toyota-Batterie mit ihrer so genannten„Solid-State-Architektur“ werdenAnode und Kathode miteinander verwoben,die größere Oberfläche soll den Io-„Der Sauerstoffwirdinder Kathode in leichtenNanostrukturen aus Kohlenstoffeingelagert,“erklärt Dr.Winfried Wilcke, Initiatorund Projektleiter des Battery 500-Projektesbei IBMResearch.nen eine Bewegung in alle Richtungengestatten. Laut Toyota lässt sich damiteine um drei- bis viermal höhere Energiedichtegegenüber Li-Ion-Batterienerreichen. Bei der Herstellung dieserFeststoff-Batterie verzichtet Pietro lauteigener Darstellung auf Giftstoffe jeglicherArt und setzt lediglich Zitronensäureals Elektrolyt ein. Im Vergleich zubisherigen Li-Ion-Akkus sollen die Trocken-Akkusvon Pietro und Toyota einetausendfach höhere Kapazität sowiezehnfach längere Lebensdauer haben.Die Technologie,die zudem kleinereAkkusmit kostengünstigerem Material verspricht,soll bei Toyota spätestens 2020serienreif sein.Ätzend: Mini-Tunnels in GraphitDem Kriterium verkürzter Ladezeitenvon Lithium-Ionen-Akkus haben sich dieWissenschaftler des Karlsruher InstitutsfürTechnologie (KIT) und der US-ameri-Bild: KITDem Kriterium verkürzter LadezeitenvonLithium-Ionen-Akkus haben sich dieWissenschaftler des Karlsruher Instituts fürTechnologie (KIT)und der US-amerikanischenRiceUniversity gewidmet.Mit winzigenMetallkugeln ätzen sie „die kleinsten Tunnelder Welt“ in nanoporösen Graphit,wie er inden Elektroden vonLithium-Ionen-Batterienverwendet wird. Die Porengrößebeeinflusstdie Ladezeiten.Bild: IBMkanischen Rice University gewidmet. Mitwinzigen Metallkugeln ätzen sie „diekleinsten Tunnel der Welt“ in nanoporösenGraphit, wie er in den Elektroden vonLithium-Ionen-Batterien verwendet wird.Diese Tunnel lassen sich je nach Anforderungmaßschneidern –bei den Versuchenergaben sich Löcher in der Größenordungzwischen ein und 50 Nanometer,was in etwa dem Tausendstel des Durchmesserseines Haares entspricht. Die Größedieser Poren beeinflusst die Ladezeitenund kann sie erheblich verkürzen.Mit dem Fokus auf Energie- und Leistungsdichte,Lebensdauer, Sicherheit sowiedie Herstellungskosten hat sich derSpezialchemie-Konzern Lanxess auf dieErforschung und Entwicklung von Kathodenmaterialkonzentriert und gilt dabeials einer der weltweit führendenHersteller von Eisenoxidpigmenten. Alsjüngstes Ergebnis präsentierten die LeverkusenerChemiker das technische Eisenoxid„Bayoxide EB90“,das innerhalbeiner Bandbreite von Eisenoxiden zurHerstellung von Kathoden verwendetwird. Es soll in der nächsten Generationvon LFP-Kathoden (Lithium-Eisenphosphat,LiFePO4) zum Einsatz kommen,die Hochleistungsbatterien leistungsstärker,langlebiger und sicherersowie kostengünstiger machen.Leistungsstärkere Li-Ion-Akkus versprechensich auch die Forscher an derTU München (TUM) von einer Gerüststrukturaus Bor und Silicium als neuemElektrodenmaterial. „Bisher besteht dienegative Elektrode meist aus Graphit,dessen Schichten nur eine begrenzteMenge an Lithium einlagern können,“erläutert Thomas Fässler, Professor amLehrstuhl für Anorganische Chemie inGarching. „Reines Silicium könnte bis zuzehnmal mehr Lithium aufnehmen,dehnt sich dabei aber zu stark aus.“ Somachte sich das Chemiker-Team auf dieSuche nach einem brauchbaren Ergänzungs-Stoff,den es in Gestalt des HalbmetallsBor fand. Im Hochdrucklabordes Departments of Chemistry and Biochemistryder Arizona State Universitygelang es Fässler und seinem DoktorandenMichael Zeilinger,die AusgangsstoffeLithiumborid und Silicium zur Reaktionzu bringen. Der Vorteil des für dieAnode von Li-Ion-Akkus geeignetenLithium-Borsilicid (LiBSi2) ist seine Stabilitätgegenüber Luft und Feuchtigkeitsowie seine Hitzeresistenz (es hält bis zu800° Celsius aus). Weiterführende Versuchesollen nun klären, ob es letztlich alsElektrodenmaterial geeignet ist.AUTOMOBILPRODUKTION · Oktober 201323