Batterie aus Bäumen: Material revolutioniert Akku-Herstellung
US-Forscher zeigen das hohe Potenzial der Batterieforschung und testen ein ganz neues Material. Es könnte die Akku-Herstellung revolutionieren. Denn es scheint besser und sicherer zu sein, als alles, was es bislang gibt.
Werden Bäume bald zu den wichtigsten Material-Lieferanten für die Batterieproduktion?
Foto: panthermedia.net/LiliGraphie
Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet. Unter anderem stecken sie in Smartphones und Elektroautos. Elektrolyte aus Lithiumsalz sind in ihnen in einem flüssigen organischen Lösungsmittel verteilt. Der Elektrolyt muss leitend sein, damit er die Wanderung der Lithiumionen zwischen Kathode und Anode einer Batterie ermöglicht. Üblich sind derzeit flüssige Elektrolyte, die gut arbeiten, aber auch mit einigen Nachteilen verbunden sind. Einerseits sind die verwendeten Chemikalien in der Regel brennbar und giftig, weswegen sie sich entzünden können. Andererseits können sich in Elektrolyten winzige Fäden aus Lithiummetall bilden, sogenannte Dendriten, die zu möglicherweise Kurzschlüssen führen.
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Das sieht bei festen Elektrolyten anders aus. Das Problem der Dendriten kann verhindert werden. Außerdem lassen sich Materialien einsetzen, die schwer oder gar nicht entflammbar sind. Keramik hat sich in diesem Bereich bereits bewährt. Die beste Lösung ist es allerdings auch nicht. Denn es ist dick, starr und spröde. Deswegen kommt es schnell zu Rissen und Brüchen, entweder schon bei der Herstellung oder durch die angelegte Spannung beim Laden oder Entladen. Das neue Material soll nun die positiven Eigenschaften der verschiedenen Ansätze vereinen. Entwickelt wurde es von Forschenden an der US-amerikanischen Providence University und der University of Maryland.
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Batterie-Material ist äußerst leitfähig
Das in dieser Studie vorgestellte Material weckt große Hoffnung. Seine Leitfähigkeit ist mit der von Keramik vergleichbar. Außerdem ist es dünn und flexibel – fast wie ein Blatt Papier. Der Vergleich ist besonders treffend. Denn die Quelle des innovativen Batterie-Materials ist tatsächlich die Gleiche wie beim Papier: Bäume.
Batterie erreicht fast 100 Prozent Wirkungsgrad
Es handelt sich bei dem Batterie-Material um einen festen Ionenleiter, der Kupfer mit Zellulose-Nanofibrillen kombiniert. Genau genommen werden aus dem Holz Polymerröhren gewonnenen. Nach Angaben der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler soll die Ionenleitfähigkeit 10- bis 100-Mal besser sein als die anderer Polymer-Ionenleiter. Es könnte daher entweder als fester Batterieelektrolyt oder als ionenleitendes Bindemittel für die Kathode einer Festkörperbatterie verwendet werden. „Durch die Einbindung von Kupfer in eindimensionale Cellulose-Nanofibrillen haben wir gezeigt, dass die normalerweise ionenisolierende Cellulose einen schnelleren Lithium-Ionen-Transport innerhalb der Polymerketten ermöglicht“, sagt Liangbing Hu, Professor am Department of Materials Science and Engineering der University of Maryland. „Tatsächlich haben wir festgestellt, dass dieser Ionenleiter eine rekordverdächtig hohe Ionenleitfähigkeit unter allen festen Polymerelektrolyten erreicht.“
Batterie-Material könnte den Massenmarkt erobern
Die Forschenden führten Computersimulationen der mikroskopischen Struktur des Kupfer-Zellulose-Materials durch, um zu verstehen, warum es Ionen so gut leiten kann. Dabei fanden sie heraus, dass das Kupfer den Raum zwischen den Zellulosepolymerketten vergrößert, die normalerweise in dicht gepackten Bündeln vorliegen. Durch den vergrößerten Abstand entstehen so etwas wie Ionen-Superhighways, durch die Lithiumionen relativ ungehindert hindurchwandern können. „Die Lithium-Ionen bewegen sich in diesem organischen Festelektrolyten über Mechanismen, die wir normalerweise in anorganischen Keramiken finden, und ermöglichen so die rekordverdächtig hohe Ionenleitfähigkeit“, sagt Yue Qi, ein Professor an der Brown School of Engineering. Ein weiterer Aspekt komme hinzu: „Die Verwendung von Materialien, die die Natur bereitstellt, wird die Gesamtauswirkungen der Batterieherstellung auf unsere Umwelt verringern.“
Das neue Material kann nicht nur als Festelektrolyt, sondern auch als Kathodenbinder für eine Festkörperbatterie eingesetzt werden. Um die Kapazität von Anoden zu erreichen, müssen Kathoden wesentlich dicker sein. Diese Dicke kann jedoch die Ionenleitung beeinträchtigen, was die Effizienz verringert. Damit dickere Kathoden funktionieren, müssen sie von einem ionenleitenden Bindemittel umhüllt sein. Mit ihrem neuen Material als Bindemittel hat das Team eine der aktuell dicksten funktionalen Kathoden vorgestellt.
Die Forscher sind davon überzeugt, dass ihr neues Batterie-Material ein wichtiger Schritt ist, damit die Festkörperbatterietechnologie den Massenmarkt erobert.
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