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Donnerstag, 21. September 2017, Ausgabe Nr. 38

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Stromspeicherung

Neue Kathode für Lithium-Ionen-Akkus

Von Stephan W. Eder | 16. Januar 2015 | Ausgabe 03

Wissenschaftler der ETH Zürich haben ein Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das zu höheren Kapazitäten und Energiedichten führen soll.

w - Vanadium-Borat BU
Foto: ETH Zürich

Vanadium-Borat-Glas: Als Kathodensubstanz könnte das Material die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Akkus erhöhen.

Batteriehersteller und Wissenschaftler suchen derzeit nach neuen Materialien, die bei gleichem Volumen und Gewicht eine höhere Energiedichte und mehr Ladekapazität aufweisen als die heute eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien. Forscher der ETH Zürich sind nach eigenen Angaben jetzt fündig geworden.

Wissenschaftler unter der Leitung von Semih Afyon, eines wissenschaftlichen Mitarbeiters am Institut für Elektrochemische Materialien, und des emeritierten Chemieprofessors Reinhard Nesper haben ein Material entwickelt, das die Batterieleistung verdoppeln könnte: ein Vanadat-Borat-Glas, das die Forscher als Kathodenmaterial einsetzen.

Das Glas besteht aus Vorläufersubstanzen von Vanadiumpentoxid (V2O5) und Lithiumborat (LiBO2). Dieses wird überdies mit reduziertem Graphitoxid (RGO) beschichtet, was die Leistung der Elektrode verbessert.

Um das Material für die Kathode herzustellen, vermengten die Wissenschaftler pulverförmiges Vanadiumpentoxid mit glasbildenden Boraten. „Das aus dieser Mischung resultierende Glas ist ein neuartiges Material, im Endeffekt also weder Vanadiumpentoxid noch Lithiumborat“, so Afyon.

Vanadiumpentoxid kann in kristalliner Form drei positiv geladene Lithium-Ionen aufnehmen – dreimal mehr als Lithium-Eisen-Phosphat, das in heutigen Kathoden verwendet wird.

Nachteil: Kristallines Vanadiumpentoxid kann nicht alle der eingelagerten Lithium-Ionen freigeben, es lässt nur wenige stabile Lade-Entlade-Zyklen zu. So kamen die Forscher auf die Idee, statt einer kristallinen Form ein Vanadiumglas zu verwenden.

„Ein großer Vorteil des Vanadat-Borat-Glases ist seine einfache und kostengünstige Herstellung“, betont Afyon. Das erhöhe die Chancen auf eine industrielle Anwendung. Zudem beschichtete der Forscher das Vanadat-Borat-Pulver mit reduziertem Graphitoxid (RGO). Dies erhöht die Leitfähigkeit und schützt die Elektrodenpartikel.

Bei ersten Versuchen mit Elektroden, die nicht mit RGO beschichtet wurden, fiel die Entladekapazität nach 30 Lade-Entlade-Zyklen drastisch ab, sobald die gespeicherte Ladungsmenge auf 400 mA/g erhöht wurde. Mit RGO-Beschichtung hingegen blieb die Kapazität auch bei ziemlich hohen Stromraten über 100 Lade-Entlade-Zyklen stabil.

Eine Batterie mit einer RGO-beschichteten Elektrode verfügte über eine Energiedichte von rund 1000 Wh/kg. Sie erreichte eine Entladekapazität, die deutlich über 300 mAh/g lag. Anfänglich lag diese sogar bei 400 mAh/g, verringerte sich allerdings im Laufe der Lade-Entlade-Zyklen. „Diese Energie würde dennoch reichen, um ein Handy eineinhalb Mal bis doppelt so lange mit Strom zu versorgen wie heutige Lithium-Ionen-Akkus“, schätzt Afyon. 

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