Darmzotten-Struktur verspricht bessere Akkus
Cambridge – Ein britisch-chinesisches Forscherteam hat den Prototyp einer Lithium-Schwefel-Batterie gebaut, in der eine den Zotten im Dünndarm ähnliche Nanostruktur zum Einsatz kommt. Solche Batterien versprechen eine deutlich höhere Kapazität als derzeit gängige Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings hatten sie bislang damit zu kämpfen, dass die Kapazität nach vergleichsweise wenigen Ladezyklen massiv sinkt. Eben das soll die Darmzotten-Struktur aus Zinkoxid verhindern.
Kathoden-Stabilisierung
In der neuen Lithium-Schwefel-Batterie umhüllt eine zottenähnliche Schicht aus winzigen Zinkoxid-Drähten eine der beiden Elektroden. «Diese Schicht ist klein, aber wichtig», meint Paul Coxon, projektbeteiligter Materialwissenschaftler an der University of Cambridge. «Sie hilft uns, den Flaschenhals bei der Entwicklung besserer Akkus zu überwinden.» Denn die Zinkoxid-Zotten dienen dazu, einem der grössten Probleme bei Lithium-Schwefel-Batterien entgegenzuwirken – einem schnellen Kapazitätsverlust bedingt durch die Auflösung der Kathode beim Entladen.
Eine Lithium-Schwefel-Batterie nutzt für diese Kathode Schwefel statt in Lithium-Ionen-Akkus gängige Materialien wie Lithiumcolbaltoxid. Der Vorteil ist eine fünf Mal höhere Energiedichte, was mehr Kapazität bedeutet. Allerdings entstehen beim Entladen sogenannte Polysulfide, die sich von der Kathode ablösen können. Daher sinkt die Kapazität schon nach relativ wenigen Ladezyklen merklich. Eben hier kommen die winzigen Zinkoxid-Drähte ins Spiel. Sie fangen die Polysulfide und binden das aktive Material an die Kathode. Das verhindert den schnellen Kapazitätsverlust.
Nur Machbarkeitsstudie
«Dies ist das erste Mal, das eine chemisch funktionelle Schicht mit gut organisierter Nanoarchitektur vorgeschlagen wurde, um gelöstes aktives Material einzufangen und wiederzuverwenden», betont Teng Zhao, Doktorand in Cambridge. Der in Zusammenarbeit mit dem Beijing Institute of Technology entwickelte Prototyp ist dafür eine Machbarkeitsstudie. Bis solche Lithium-Schwefel-Akkus wirklich kommerziell verfügbar werden, wird es den Experten nach noch Jahre dauern. Denn sie werden trotz allem nicht so viele Ladezyklen aushalten wie Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings könnte die höhere Kapazität das aufwiegen, da ein Akku nicht so oft geladen werden müsste. (pte/mc/ps)
