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Bahn frei fürs Lithium-Ion

© Heinz Heiss
© Heinz Heiss

Forscher entwickeln neue Verfahren, um die Kapazitäten von Lithium-Ionen-Batterien für Handy und Elektroauto deutlich zu steigern. Von Martin Schäfer

Der Name Yan Yu klingt für europäische Ohren zunächst fremd, und ist dennoch einfach zu merken. Man wird ihn sich merken müssen. Die zierliche Chinesin will die Welt verändern. Und die ist elektrisch. Handy, iPad, Pedelec und Elektroauto - alles, was unsere moderne Welt so antreibt, hängt am Akku. Der Akku ist ein Engpass und konnte längst nicht mit anderen technischen Entwicklungen Schritt halten. Hielt die Batterie eines Einfachhandys noch eine Woche durch, muss das moderne Smartphone schon nach einem Tag an die Steckdose. Ganz zu schweigen von den hohen Erwartungen, hohen Kosten, aber niedrigen Reichweiten von Elektro- also: Batteriefahrzeugen.

"Wir wollen die Kapazitäten der Batterien deutlich erweitern", sagt Yan Yu. Das ist ihre Vision. Denn viele grundlegende chemische und physikalische Prozesse in diesen Energiespeichern sind nur wenig oder gar nicht verstanden. Der Batterieforscher Maximilian Fichtner vom Karlsruhe Institut für Technologie ergänzt: "Von Anwenderseite, insbesondere seitens der Automobilindustrie und für Laptops und Handys, werden um den Faktor drei bis fünf höhere Speicherkapazitäten verlangt. Mit den heutigen Batteriekonzepten können wir das aber nicht erreichen." Die Rechnung ist einfach: Bei verdoppelter Kapazität läuft das Handy oder Elektroauto doppelt so lang oder weit, oder aber die Ingenieure können die Batterie um den Faktor zwei verkleinern - bei gleich langer Laufzeit wie zuvor.

Wie bei einem Schulversuch

Um dieses Ziel zu erreichen, steht Yan Yu im weißen Chemikerkittel im siebten Stock des Max-Planck-Forschungsgebäudes in Stuttgart und hantiert an einem halben Dutzend Glasbechern. Darin laufen in fingerdicken Metallverschraubungen die Batterieexperimente ab. Das sieht zunächst recht einfach wie bei einem Schulversuch aus. Schwarze und rote Krokodilklemmen führen den Strom an Plus- und Minuspol der Lithium-Ionen-Batterie. Die ganze Elektrochemie spielt sich in einem geldstückgroßen und nur einen halbem Millimeter dicken Material-Sandwich ab. Dieses Schichtsystem besteht aus drei Lagen: dem Pluspol (Kathode), einer Trennschicht (Elektrolyt) und dem Minuspol (Anode) der Batterie.

Alles hängt nun davon ab, wie sich die positiv geladenen Lithium-Ionen in diesen Schichten verhalten. Beim Laden wandern sie von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode. Beim Entladen geht's wieder zurück. An den Wänden in Yan Yus Labor hängt eine Vielzahl kleiner Ausdrucke, Diagramme, die zeigen, wie häufig und stabil sich die Batterien ganz voll, halb voll oder nur ein Zehntel vollladen lassen. Bleibt die Kapazität auch nach Hunderten Ladezyklen erhalten, ist das ein Erfolg und hängt von den gewählten Materialien im Batterie-Sandwich ab. Doch "auch die Strukturierung der Elektroden ist wichtig. Die Mikrostruktur des Materials entscheidet mit, wie viel Leistung die Batterie liefern kann und ob ihre Speicherkapazität erhalten bleibt, wenn sie viele Male be- und entladen wird", sagt der Karlsruher Forscher Fichtner.

Grundlagenforschung wichtig

So besteht die Anode bei Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise aus Kohlenstoff. Forscher würden den Kohlenstoff gern durch Zinn, Germanium oder Silizium ersetzen. Allein durch diese Materialwahl könnten sie die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie um den Faktor drei bis zehn erhöhen. "Doch Zinn- und Silizium-Anoden haben eine sehr große Volumenänderung beim Laden/Entladen", erklärt Yan Yu. Kurz: Die konventionelle Zinnanode zerbröselt durch die vielen Lade-/Entladezyklen. Um das zu verhindern, hat sich Yan Yu ein spezielles Verfahren zur Mikrostrukturierung der Anode ausgedacht. Eine Anode, die beim Laden- und Entladen gewissermaßen mitatmet.

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