Neue Materialien ermöglichen fünffache Speicherdichte von Batterien

Die Akkus von morgen

Die elektronenmikroskopische Aufnahme des Fe/C/LiF-Nanokomposits zeigt: Agglomerate von kohlenstoffverkapselten Fe-Nanopartikeln sind über Kohlenstoffnanoröhren elektrisch miteinander verbunden
Anzeige
Neue Batteriematerialien für Elektrofahrzeuge basieren auf Eisen-Kohlenstoff und ermöglichen den Bau von Akkumulatoren mit einer deutlich höheren Energiedichte.

Der Autor Maximilian Fichtner arbeitet am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), Karlsruhe

Die Entwicklung hochleistungsfähiger Energiespeicher ist derzeit eine der größten Herausforderungen der Forschung, denn diese sind die Voraussetzung für die künftige Wirtschaftlichkeit der Elektromobilität und die Integration erneuerbarer Energien in die Energieversorgung. Bei Batterien geht es vor allem darum, die Leistungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Sicherheit zu erhöhen und die Kosten zu senken. Deutlich höhere Energiedichten sind notwendig, um die Einsatzbereiche einer Li-Ionen-Batterie zu erweitern. Ziel ist es beispielsweise, bei Mittel- oder Oberklassefahrzeugen Reichweiten zu ermöglichen, die den interurbanen Bereich oder Langstrecken mit einschließen. Derzeit ist das bei diesen Fahrzeugklassen nicht absehbar, denn im Vergleich zu alternativen Techniken liegt die Energiedichte einer heutigen Li-Ionen-Batterie um den Faktor 7 beziehungsweise 50 unter der eines Wasserstoff- oder Benzintanks.
Herkömmliche Akkus reichen nicht mehr aus
Mit herkömmlichen Li-Ionen Batteriematerialien sind heute also nur noch graduelle Verbesserungen zu erwarten. Das allgegenwärtige und bereits erfolgreich umgesetzte Interkalationsprinzip, bei dem Li-Ionen in Wirtsstrukturen wie Eisenphosphat, Kobaltoxid oder Graphit eingelagert werden, ermöglicht zwar gut funktionierende Zellen mit guter Kinetik und hoher Reversibilität, die Packungsdichte für die Li-Ionen ist aber begrenzt. Zudem wird pro Metallatom nur ein einziges Elektron gespeichert, obwohl Übergangsmetalle mehrere Oxidationsstufen durchlaufen können.
Die Forscher am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) verfolgen nun einen völlig neuen Ansatz für die Elektrodenarchitektur und die verwendeten Materialien. Er soll Verbesserungen in der gespeicherten Energiemenge und den Kosten ermöglichen. Die neuen Entwickungen könnten langfristig auch die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.
Um einen Sprung in der Leistungsfähigkeit zu erreichen, müssen neue Konzepte verfolgt werden – sowohl bei der Entwicklung der Materialien als auch bei der Batteriearchitektur. Die Verwendung leichter Metalle und der Wechsel vom Interkalations- zum Konversionsprinzip sind aus heutiger Sicht die einzigen Perspektiven, mit denen eine Kapazitätsverbesserung möglich scheint. Grund dafür ist die höhere Packungsdichte für Lithium und die Möglichkeit, mehrere Oxidationsstufen eines Metalls auszunutzen. Zudem gibt es Ansätze wie die Li-Luft Batterie. Dort gibt es noch eine Reihe prinzipieller Probleme. So liegt die notwendige Ladespannung noch um den Faktor 2 über der Entladespannung, und die gebildeten Nebenprodukte wie Lithiumperoxid reagieren irreversibel mit dem Elektrolyten – was zu scheinbar hohen Anfangskapazitäten führt, die aber auf dem Abbau der Komponenten beruhen.
Eine andere Möglichkeit bieten Konversionsmaterialien auf der Basis von Eisen und Lithiumfluorid, mit deren Hilfe sich ebenfalls mehr Energie auf kleinem Raum speichern lässt. Das Problem: Die bisher in der Literatur beschriebenen Materialien sind nicht zyklenstabil, und die Speicherkapazität sinkt rasch ab, wenn die Batterie mehrmals ge- und entladen wird.
Am Institut für Nanotechnologie des KIT wurde deshalb ein völlig neuer Ansatz für eine Synthese von Fe-Kohlenstoff-Speichermaterialien entwickelt. Bei dem zum Patent eingereichten Verfahren werden Ausgangsmaterialien wie etwa Ferrocen mit Lithiumfluorid vermischt und dann gemeinsam unter Schutzgas erhitzt. Dabei bildet sich eine völlig neue Nanostruktur aus kohlenstoffverkapselten Fe-Nanopartikeln aus, die zusätzlich von Kohlenstoffdrähten, die ebenfalls entstehen, durchzogen ist. Somit entstehen nanoskalige Speichereinheiten und Leiterbahnen in einem Schritt.
Die Kapazität des neuen Materials, also die Fähigkeit der Aktivkomponente, Energie zu speichern, beträgt 250 mAh/g über 200 Zyklen, wobei das Potenzial bei 712 mAh/g liegt. Dies ist weltweit das erste Beispiel für ein stabiles Kathodenmaterial auf Konversionsbasis. Die Herstellung ist einfach und kostengünstig, und die hohe Kapazität der Eisen-Kohlenstoffelektrode bleibt sehr lange erhalten. Gelingt es, das Potenzial dieses neuen Materials durch adäquate Anodenstrukturen und eine verbesserte Batteriearchitektur voll zu erschließen, wäre eine Erhöhung der Speicherdichte von Li-Iionenbatterien um den Faktor 5 möglich.
KIT; Telefon: 0721 608-47414
Anzeige

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Whitepaper aller unserer Industrieseiten

Video-Tipps

Unser aktueller Video-Tipp: 100 Jahre BMW

Weiterbildung

Weiterbildungsangebote für den Konstruktions- und Entwicklungsingenieur

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de