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Elektroden mit „Blähungen“

Warum größere Ionen Probleme machen

Wenn künftig Lithium in Akkus durch andere Elemente ersetzt werden soll, dann muss ein weiteres Problem überwunden werden – an der Anode. Denn das bisher gängige Elektrodenmaterial Graphit kann größere Ionen schlecht aufnehmen. Zudem blähen sich die meisten Anodenmaterialien bei Beladung stark auf – sie können auf das Mehrfache ihres Volumens anschwellen. Das bedeutet: Der Akku müsste entweder eine dehnbare Hülle bekommen oder man findet eine Struktur, die diesen Volumenzuwachs ohne Leistungsverlust abpuffern kann. Auch hier werden daher Alternativen gebraucht.

Antimon-Nanokristalle
Nanokristalle aus Antimon können Schäden durch das Aufblähen der Anode bei Natrium-Akkus verringern.© ETH Zürich

Nanokristalle für die Anode

Ein Kandidat ist das Halbmetall Antimon. Schon länger ist bekannt, dass Anoden aus diesem Element eine doppelt so hohe Ladekapazität wie Graphit aufweisen können. Dafür allerdings muss das Antimon in eine spezielle Form gebracht werden. Sie muss die Natrium-Ionen schnell aufnehmen und abgeben können, aber auch die damit verknüpften Volumenveränderungen ohne Brüche oder andere Schäden vertragen.

Bereits 2014 haben Forscher um Maksym Kovalenko von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa herausgefunden, dass die Größe der Antimonkristalle in der Elektrode eine entscheidende Rolle spielen. Sie haben daher eine Methode entwickelt, um gleichmäßige Antimon-Nanokristalle von rund 20 Nanometer Größe herzustellen- dies erwies sich in Tests als besonders geeignet. Denn sind die Kristalle deutlich größer, wird das Material durch die Volumenänderungen beim Laden und Entladen zerstört. Sind sie kleiner, oxidieren die Antimon-Kristalle wegen der großen Oberfläche zu schnell.

Wie Tests ergaben, vertragen Anoden aus den Antimon-Nanokristallen das Aufblähen gut und die Volumenveränderung verläuft reversibel und ohne bleibende Schäden. Ein weiterer Vorteil: Antimon-Nanopartikel können mit leitfähigem Kohlenstoff-Füllmaterial vermischt werden. Das verhindert ein Verklumpen der Nanoteilchen. Bis aber eine Natrium-Ionen-Batterie mit Antimonelektrode auf den Markt kommen kann, dürfte es noch mindestens zehn Jahre dauern, schätzt Kovalenko. Die Forschung dazu stehe erst am Anfang.

Organische Ketten und Aluminium als Alternative

Doch die Empa-Forscher haben noch ein weiteres Ass im Ärmel. Denn parallel dazu forschen sie auch an organischen Anoden-Materialien. Eines davon ist Polypyren, ein Kohlenwasserstoff mit kettenförmiger Molekülstruktur. Wenn diese Ketten ungeordnet zusammengelagert sind, bieten sie viel Platz für größere Metallionen wie Aluminium, wie Tests ergaben. „Zwischen den Molekülketten bleibt viel Platz. Die verhältnismäßig großen Ionen der Elektrolytflüssigkeit können daher gut in das Elektrodenmaterial eindringen und es laden“, erklärt Kovalenko.

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Aluminium-Akku
Funktionsschema einer Aluminiumbatterie mit organischer Anode.© ETH Zürich/Empa, Advanced Materials 2018

Dadurch könnten sich diese Elektroden auch für Aluminium-Akkus eignen. Wie Natrium ist auch dieses Metall in großen Mengen verfügbar und relativ günstig. Zudem kann das Aluminium drei Elektronen abgeben, wodurch Aluminium-Akkus theoretisch höhere Energiedichten erreichen könnten als Lithium-Ionen-Akkus. Erste Prototypen von Aluminiumbatterien mit Graphit- oder Polymerelektroden wurden schon von verschiedenen Forschergruppen entwickelt und sind im Test. Bisher haben sie allerdings eine deutlich geringere Speicherkapazität als Lithium-Ionen-Akkus – auch wenn Wissenschaftler hier noch gute Chancen für eine Optimierung sehen.

Doch selbst wenn diese Optimierungen gelingen sollte: Für Batterien von Elektroautos werden die Natrium- oder Aluminiumbatterien wahrscheinlich auf absehbare Zeit nicht geeignet sein. Denn noch sind sie zu groß und schwer und wegen der Volumenveränderungen ihrer Anode nicht in starre Hüllen pressbar.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

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Was kommt nach dem Lithium-Ionen-Akku?

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Warum Lithium nicht das Nonplusultra ist

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