Li-Ionen-Akkus mit zehnfacher Kapazität entwickelt

US-Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, wie man die Laufzeit von Lithium-Ionen-Akkus deutlich verbessern kann. Außerdem erlaubt das Neudesign der Batterie-Zellen eine stark verkürzte Zeit zum Aufladen. Eines der derzeit wohl größten Probleme der Technikwelt ist es, dass die Batterielaufzeiten bei mobilen Geräten nicht ansatzweise mit dem Stromverbrauch moderner Prozessoren und Bildschirmen mithalten können.

Forscher der Northwestern Universität im US-Bundesstaat Illinois haben nun aber einen Weg gefunden, wie man Lithium-Ionen-Akkus um den Faktor 10 verbessern kann. Laut den in der Fachzeitschrift 'Advanced Energy Materials' veröffentlichten Forschungsergebnissen hat das eine doppelte Auswirkung: Zum einen halten die Akkus zehn Mal so lange, gleichzeitig sinkt die Auflade-Dauer auf rund 15 Minuten.

Bei Li-Ionen-Batterien findet, sobald das Gerät aktiviert wird, eine chemische Reaktion statt: Lithium-Ionen werden in einer Elektrolytlösung von einem Pol zum anderen (von der Anode zur Kathode) geschickt. Beim Aufladen findet der umgekehrte Vorgang statt. Beim derzeitigen Design der Akkus gibt es aber zwei Probleme: Zum einen ist die Anzahl der Ionen auf einer Anode oder Kathode und somit die Kapazität begrenzt. Zum anderen sind auch der "Reisegeschwindigkeit" der Ionen durch das Elektrolyt Grenzen gesetzt.

Der Schlüssel für eine Verbesserung ist das Material der Anode: Diese besteht aus mehreren Schichten Graphen. Diese können nur ein Lithium-Atom auf sechs Kohlenstoffatome aufnehmen. Dazu verlangsamen die nur eine Atomschicht dünnen, jedoch sehr langen Graphenblätter die Reise der Ionen zu ihrer Mitte, was in der Folge zu einem "Stau" an deren Rändern führt. Experimente mit Silizium als Ersatzmaterial (dieses kann theoretisch vier Lithium-Teilchen pro Atom unterbringen) führten bisher nicht zum erhofften Erfolg.

An der Northwestern University kombinierte man die beiden Methoden: An der Anode wurde das Silizium zwischen die Graphenblätter im "Sandwich-Design" platziert, was zu einer deutlichen Steigerung der Ionen, die man dort unterbringen kann, führte. Außerdem wurde das Graphen mit Hilfe von Oxidation mit winzigen Löchern versehen, dadurch können die Ionen schneller zur Anode "zurückreisen" - entsprechend schneller ist das Wiederaufladen.

Ein wenig Geduld ist allerdings noch nötig: Nach Schätzungen der beteiligten Wissenschaftler dürfte die Methode noch etwa drei bis fünf Jahre bis zu ihrer Marktreife benötigen.