Elektrodenrisse verschwinden 22.11.2013, 07:00 Uhr

Selbstheilendes Polymer soll Akkus leistungsfähiger machen

Smartphone-Batterien könnten zukünftig länger ihre volle Leistungsfähigkeit behalten. Möglich machen soll das eine neue Polymerbeschichtung für Elektroden. Sie bewirkt, dass sich Risse selbstständig schließen. 

Die Elektrode des Lithium-Ionen-Akkus ist mit einem selbstheilenden Polymer beschichtet. Dadurch schließen sich Risse selbstständig. Bislang konnte der Prototyp 100 Ladezyklen ohne Leistungsverlust überstehen. 

Die Elektrode des Lithium-Ionen-Akkus ist mit einem selbstheilenden Polymer beschichtet. Dadurch schließen sich Risse selbstständig. Bislang konnte der Prototyp 100 Ladezyklen ohne Leistungsverlust überstehen. 

Foto: SLAC/Brad Plummer

In Lithium-Ionen Batterien werden meistens Silizium-Elektroden eingesetzt, die eine hohe Kapazität gewährleisten. Das Problem dieser Elektroden ist jedoch ihre begrenzte Lebensdauer, weil sie beim Aufladen stark anschwellen. Beim Entladen nimmt die Schwellung wieder ab. Konsequenz dieses Prozesses ist, dass die Elektroden nach einer vergleichsweise kurzen Nutzungszeit brüchig werden. Damit aber verliert die Batterie schnell einen wesentlichen Teil ihrer ursprünglichen Kapazität.

Forscher beschichten Elektroden mit selbstheilendem Polymer

Das National Accelerator Laboratory (SLAC) von Professor Zhenan Bao der Stanford University überzog Silizium-Elektroden mit einer speziellen Polymerbeschichtung. Dabei beobachteten die Forscher einen erstaunlichen Effekt: Die Elektroden waren deutlich stabiler und entwickelten Selbstheilungskräfte, kleinere Risse begannen sich nach wenigen Stunden selbstständig zu schließen. Sehr schnell stellte sich heraus, dass Silizium-Elektroden mit einer solchen Beschichtung wenigstens zehnmal länger halten. Kohlenstoff-Nanopartikel im Polymer stellten die elektrische Leitfähigkeit sicher.

Im Prinzip sind schon lange verschiedene Wege bekannt, die Lebensdauer der Elektroden zu verlängern. Ein Weg ist die Herstellung der Elektrode aus einem anderen Material als Silizium. Genau das aber ist teuer und zugleich zeitaufwändig. Im Vergleich dazu ist die Polymer-Beschichtung der Silizium-Elektrode kostengünstiger.

Vorläufiges Ziel: 500 Ladezyklen ohne Leistungsverlust

Die bisherigen Arbeiten des Forscherteams haben zu einem Akku-Prototypen geführt, der bereits 100 Ladezyklen ohne nennenswerten Leistungsverlust übersteht. „Das ist noch weit vom Ziel der 500 Zyklen für Smartphones und 3000 Zyklen für Autos entfernt“, erklärt Stanford-Materialforscher Yi Cui. Bisherige Ergebnisse seien jedoch vielversprechend. Das Team will nun Performance und Lebensdauer möglichst schnell erhöhen, um den neuen Ansatz wirtschaftlich attraktiv zu machen. Die Forscher gehen zudem davon aus, dass der Ansatz auch für andere Elektroden-Materialien geeignet ist. 

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