3D-Nanostruktur in Batterie soll Akkumarkt revolutionieren

Batterie; Bild: shutterstock

Ein echtes Überraschungspaket ist die neu Batterie von Professor Braun und seiner Forschergruppe. Der Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Universität von Illinois will mit seiner neuen Technologie das Denken in Sachen Batterietechnik grundlegend verändern. Eine Technologie, die nicht an eine bestimmte Art von Batterien gebunden ist, sondern die Batterietechnik in mehreren Dimensionen betrachtet.

Der erste Schritt in eine ganz neue Batterietechnik ist getan, zumindest im Labor. Auf den ersten Blick verrät die neue Batterie von Professor Braun und seinem Team jedoch nicht, was wirklich in ihr steckt. Das, was bei ihm im Labor steht, sieht aus, wie ganz gewöhnliche Batterien. Erst im Inneren tritt die Überraschung zum Vorschein – eine dreidimensionale Nanostruktur, die es möglich macht, Batterien in Minuten, gar Sekunden aufzuladen, ohne Leistungseinbußen. Eine bahnbrechende Idee, die viele Anwendungsgebiete revolutionieren könnte. Etwa die Unterhaltungselektronik oder auch die Elektromobilität, denn gerade hierbei besteht eines der größten Probleme in der langen Ladezeit. Die neue Methode könnte die Ladezeit von Elektrofahrzeugen so drastisch reduzieren, dass man in Zukunft ebenso schnell Strom nachladen könnte, wie Autos mit Benzin zu betanken!

Möglich machen das die neuen Strukturen für die Batterie-Kathoden, die es erlauben, ohne Kapazitätsverlust bei der Energiespeicherung die Be- und Endladezeiten drastisch zu verringern. Das Problem bei herkömmlichen Akkus ist vor allem, dass sie zwar schnell entladen, aber nicht schnell beladen werden können. Batterien, die zwar große Energiemengen aufnehmen können, können diese wiederum nicht schnell liefern und auch nicht schnell wieder aufnehmen. Außerdem verschlechtert sich die Leistung von typischen Nickel-Metallhydrid-(NiMH) oder Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Akkus mit jeder schnellen Be- und Endladung. Die Forschergruppe ist in ihrem Labor nun auf eine Umwindung dieses Problems gestoßen. Durch das Aufbringen eines dünnen Films aktiven Materials im Inneren der Batterie können die Lade- und Endladevorgänge extrem beschleunigt werden – bis zu 100 Mal schneller, als bei herkömmlichen Batterien. Allerdings fehlt einem gewöhnlichen, aktiven Material das Volumen, um genügend Energie speichern zu können.

Auch hier scheint das Team eine Lösung gefunden zu haben, ein Film in dreidimensionaler Struktur, der neben der Schnellladung auch die entsprechend hohe Kapazität mitbringt. Erreicht wird dieser durch eine neuartige dreidimensionale Struktur, diese wiederum durch eine Oberflächenbeschichtung, die als winzige Kugel startet und sich dann zu einem Gitter ausbildet. Die Zwischenräume haben die Forscher mit Metall gefüllt, sodass aus den geschmolzenen Kugeln ein poröses, schwammartiges 3D-Gerüst entsteht. Durch das „Elektropolieren“, wobei durch gleichmäßiges Ätzen der Gerüstoberfläche die Poren vergrößert werden, wird ein offenes Netz erzeugt. Zum Schluss wird der Rahmen dann mit einer dünnen Schicht aktiven Materials überzogen. So entsteht eine bikontinuierliche Struktur der Elektroden mit kleinen Verbindungen, die es den Lithium-Ionen erlauben, sich schnell zu bewegen und zudem von der guten elektrischen Leitfähigkeit des Metallrahmens zu profitieren. Die Forschungen sind dabei nicht nur auf Li-Ionen-Batterien beschränkt, sondern sollen eine universell einsetzbare Technologie für sämtliche Batteriearten bereitstellen.

Judith Schomaker

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