Batterien in Minuten und Sekunden laden

4.10.2011 Amerikanische Forschergruppe bringt mit Nanotechnologie Batterietechnik voran

Champaign, Illinois - Die Batterien im Labor von Prof. Braun sehen auf den ersten Blick wie jede andere Batterie aus, aber sie haben eine Überraschung in ihrem Inneren verpackt. Seine Forschungsgruppe entwickelt dreidimensionale Nanostrukturen für Batterie-Kathoden, die für deutlich schnellere Be-und Entladezeiten sorgen, ohne dass die Energie-Speicherkapazität darunter leidet.

Nicht nur für Handys, Unterhaltungselektronik und andere Anwendungsbereiche ist dies interessant- wünschenswert ist dies auch für Batterien für Elektrofahrzeuge.

"Das System, das wir entwickelt haben, zeigt neue und andere Einsatzmöglichkeiten für Batterien auf", meint Braun, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. "Viele Kondensatoren speichern zu wenig Energie, sie können dafür sehr schnell entladen, aber nicht schnell beladen werden. Andere Batterien speichern eine ziemlich große Menge an Energie, aber können diese nicht extrem schnell liefern und nicht schnell nachgeladen werden.
Die Leistung eines typischen Lithium-Ionen-(Li-Ion) oder Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus verschlechtert sich erheblich, wenn sie schnell beladen oder entladen werden.

Die Aufbringung eines aktiven Materials in der Batterie, meist eines dünnen Films, ermöglicht sehr schnelle Lade-und Entladevorgänge, reduziert jedoch die Kapazität auf nahezu Null, da dem aktiven Material dann Volumen fehlt, um Energie zu speichern.
Brauns Gruppe arbeitet an der Entwicklung eines solchen dünnen Film in einer dreidimensionale Struktur, der die Erreichung sowohl hoher Kapazität als auch Schnellladung ohne Probleme ermöglichen soll. Damit soll die Batterie in Zukunft in wenigen Sekunden ge- und entladen werden können, etwa 10 bis 100 mal schneller als bisher.

Diese Möglichkeit bringt nicht nicht nur für PC-Batterien für Laptops große Chancen, auch für Hochleistungslaser und Defibrillatoren, die keine Zeit zum Hochfahren vor oder zwischen den Impulsen haben.

Braun ist auch besonders optimistisch für Batterien in Elektrofahrzeugen. Momentan sind sowohl die Reichweite als auch die Ladezeit wesentliche Einschränkungen von Elektrofahrzeugen.
"Mit der neuen Methode gibt es die Möglichkeit zum schnellen Laden, statt Stunden zu warten wird es damit möglich, das E-Fahrzeug in ähnlicher Zeit zu laden, wie um ein Auto mit Benzin zu betanken, " sagt Braun und das ohne Probleme für die Batterie.

Der Schlüssel dazu ist eine neuartige 3-D-Struktur. Die mit der Beschichtung einer Oberfläche mit winzigen Kugeln startet, die dann eine Art Gitter bilden. Dann füllen die Forscher füllen den Raum zwischen den Kugeln mit Metall. Die Kugeln sind geschmolzen oder gelöst, so dass damit poröse 3-D-Gerüste, ähnlich wie ein Schwamm entstehen. Dann wird ein Prozess gestartet, namens Elektropolieren, der die Oberfläche des Gerüste gleichmäßig ätzt, um die Poren zu vergrößern und um ein offenes Netz zu erzeugen. Schließlich ummanteln die Forscher den Rahmen mit einem dünnen Film des aktiven Materials.

Das Ergebnis ist eine bikontinuierliche Elektroden-Struktur mit kleinen Verbindungen, so dass der Lithium-Ionen sich schnell bewegen, durch die Metallrahmen haben sie eine gute elektrischer Leitfähigkeit.

Die Gruppe forscht sowohl an NiMH- als auch an Li-Ionen-Batterien.

"Wir möchten, dass die Methode sehr universell einsetzbar ist, damit das auch für vielleicht bessere Bestandteile in der Akku-Chemie in der Zukunft genutzt werden kann." meint Braun. "Unsere Forschungen sind nicht an eine ganz bestimmte Art von Batterie gebunden, sondern es ist ein neues Denken einer Batterie in drei Dimensionen."

Mehr dazu: www.nature.com/nnano/journal/v6/n5/full/nnano.2011.38.html