Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus 19.01.2022, 07:00 Uhr

Batterien aus Gummi liefern erstaunliche Ergebnisse

Ein internationales Team aus Forschenden geht einen neuen Weg, um zukunftsfähige Batterien für Elektroautos zu entwickeln – die Basis ist Kautschuk, und die Ergebnisse sind tatsächlich erstaunlich.

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Elektroautos soll die Zukunft gehören. Dafür wäre es wichtig, dass sie nicht so häufig aufgeladen werden müssen.

Foto: panthermedia.net/ monicaodo

Jeden Tag rollen neue Elektroautos vom Band. Das macht Hoffnung in Bezug auf die Energiewende. Schließlich sollen Verbrennermotoren so schnell wie möglich von den Straßen verschwinden. Da gibt es allerdings noch eine Hürde: Die Batterien sind sehr aufwendig in der Herstellung, was natürlich erheblichen CO2-Ausstoß verursacht. Außerdem sind sie verhältnismäßig teuer, und viele Verbraucherinnen und Verbraucher zweifeln an der Sicherheit. Nachrichten von brennenden Batterien, die sich schwer wieder löschen lassen, sind dafür verantwortlich. Denn in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden die Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten bewegt. Das führt zu den bekannten Risiken: Schon eine kleine Beschädigung kann dazu führen, dass der Elektrolyt austritt und es im schlimmsten Fall zu einem Brand oder einer Explosion kommt.

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology und vom Korea Advanced Institute of Science and Technology wollen viele dieser Probleme auf einen Streich lösen. Sie haben ein vielversprechendes Material gefunden, aus dem sie eine Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien herstellen wollen: Gummi.

Synthetischer Kautschuk wird zur Ionen-Autobahn in innovativen Batterien

Dieser Ansatz ist tatsächlich ungewöhnlich. Denn eigentlich liegt die Entwicklung anorganischer Festkörperelektrolyte eher im Trend. „Diese sind jedoch schwer herzustellen, teuer und nicht umweltfreundlich“, sagt Seung Woo Lee, Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, das zum Georgia Institute gehört. Er hält die Polymerelektrolyte zwar für interessant, sie hätten jedoch keine ausreichende Ionenleitfähigkeit und mechanische Stabilität für einen zuverlässigen Betrieb von Festkörperbatterien. Das sei bei dem getesteten Gummi anders.

Genau genommen geht es um Elastomere, also synthetische Kautschuke. Geschätzte werden sie in der Industrie vor allem wegen ihrer mechanischen Eigenschaften wie der hohen Biegsamkeit. Sie können aber weit mehr. Die Forschenden haben nämlich entdeckt, dass dieses künstliche Gummi zu einer Art Superautobahn für den schnellen Transport von Lithium-Ionen werden kann, wenn es zu einer 3D-Struktur formuliert wird. Dabei behalten das Gummi seine mechanische Festigkeit. Unterm Strich wäre es also möglich, länger aufladbare Batterien mit höherer Reichweite zu produzieren, die gleichzeitig mehr Sicherheit bieten.

Neue Struktur des Gummis bringt mehr Leistung

Die entscheidende Erkenntnis bestand darin, dass das Material eine dreidimensionale, miteinander verbundene Kunststoffkristallphase innerhalb der robusten Gummimatrix bilden kann. Diese einzigartige Struktur hat zu einer hohen Ionenleitfähigkeit geführt. Nach Angaben der Forschenden seien die mechanischen Eigenschaften weiterhin hervorragend und die elektrochemische Stabilität hoch.

Dieser Kautschukelektrolyt kann durch ein einfaches Polymerisationsverfahren bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden, wodurch robuste und glatte Grenzflächen an der Oberfläche der Elektroden entstehen. Diese einzigartigen Eigenschaften des Kautschukelektrolyten verhindern das Wachstum von Lithium-Dendriten und ermöglichen eine schnellere Bewegung der Ionen, was einen zuverlässigen Betrieb von Festkörperbatterien auch bei Raumtemperatur ermöglicht.

Leistung der Gummi-Batterie muss jetzt weiter erhöht werden

„Eine höhere Ionenleitfähigkeit bedeutet, dass man mehr Ionen gleichzeitig bewegen kann“, sagt Michael Lee, Doktorand im Bereich Maschinenbau. „Indem man die spezifische Energie und die Energiedichte dieser Batterien erhöht, kann man die Laufleistung des Fahrzeugs steigern.“

Jetzt stehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor der Aufgabe, die Leistung der Batterie weiter zu verbessern, indem sie die Zykluszeit erhöhen und die Ladezeit durch eine noch bessere Ionenleitfähigkeit verkürzen. Auch dabei haben sie bereits erste Erfolge verzeichnet – sie konnten die Leistung beziehungsweise die Zykluszeit der Batterie verdoppeln.

Industriepartner finanziert Forschung zu Festkörperbatterien

Sollten die weiteren Arbeiten gut vorangehen, steht auch schon ein Industriepartner bereit. SK Innovation, ein weltweit tätiges Energie- und Petrochemieunternehmen, finanziert zusätzliche Forschungsarbeiten an dem Elektrolytmaterial im Rahmen seiner laufenden Zusammenarbeit mit dem Institut, um Festkörperbatterien der nächsten Generation zu entwickeln. Sie sollen vor allem sicherer und energiedichter sein als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Diese Ansprüche könnten die Gummi-Batterien erfüllen.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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