Unsichtbarer Stromspeicher

Forscher der Stanford University haben eine transparenten Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der als dünne Schicht auf Displays aufgetragen werden und sie mit Strom versorgen könnte.

Der Wettlauf um eine grüne Energieversorgung ist vor allem ein Wettlauf um neue und bessere Akkus. Wenn die Stromversorgung schwankt, müssen ungenutzte Energiespitzen rasch gespeichert werden. Am besten wäre es, wenn man die Speicherung gleich elegant in die Verbraucher integrieren könnte. Forscher der Stanford University haben nun eine durchsichtige Batterie entwickelt, die sich in Displays einbauen lässt.

Bislang werde zu wenig darauf geachtet, neue Energiespeicher auch „schöner und raffinierter“ zu machen, bemängelt der Materialwissenschaftler Yi Cui, der das Projekt leitet. Die meisten Forschungsanstrengungen würden sich nur darauf konzentrieren, Batterien zu entwickeln, die mehr Energie für längere Zeit vorhalten können.

In den letzten Jahren ist es gelungen, alle wichtigen elektronischen Bauteile für Displays in einer transparenten Form zu fertigen. Nur Batterien nicht. Das liege daran, dass vor allem deren Elektroden eine ziemlich knifflige Sache seien, sagt Cui. Zwar kann man Elektroden inzwischen in 100 Nanometer dünnen Schichten herstellen. Doch aufgrund der geringen Dicke können sie nicht mehr allzuviel Energie aufnehmen.

Cui verfolgte mit seiner Gruppe einen neuen Ansatz: eine Elektrode, die aus so winzigen geordneten Strukturen besteht, dass sie das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmen kann. Das hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten zusammen genommen genug Material vereinen, um eine nennenswerte Energiemenge speichern zu können. Die Elektrode der Stanford-Forscher besteht aus einem feinen Gitter, dessen Drähte nur 50 Mikrometer dick sind. Das Gitter ist in ein durchsichtiges Polymer – Polymethylsiloxan oder kurz: PDMS – eingebettet.

Das klingt in der Theorie zunächst einleuchtend, ist in der Praxis aber eine Herausforderung. Denn um derart feine Strukturen zu fertigen, sind gewöhnlich chemische Verfahren nötig, die die Materialien der Batterie beschädigen. Cuis Gruppe hat einen schonenderen Weg gefunden: Die Forscher erzeugen zunächst mittels Photolithographie auf einem Silizium-Wafer eine aufragende Gitterstruktur. Auf den Block gießen sie das PDMS, lassen es aushärten und entfernen es wieder von dem Silizium-Untergrund.

Die PDMS-Schicht hat nun auf der einen Seite einen Abdruck der Gitterstruktur in Form vieler feiner Kanäle. Taucht man das PDMS in eine Lösung, die Elektrodenmaterial von Lithium-Ionen-Akkus enthält (Lithiummanganoxid für die Kathode und Lithiumtitanoxid für die Anode), wird es von Kapillarkräften in die Kanäle hineingezogen. Haben diese sich gefüllt, ist ein Gitter für den Akku entstanden.

Im letzten Schritt wird zwischen zwei solche Gitterschichten ein Gel gepackt, das als transparenter Elektrolyt dient, und die Anordnung mit einer durchsichtigen Schutzschicht aus Kunststoff umhüllt. Mit den Prototypen dieses Akkus können die Stanford-Forscher LEDs betreiben, deren Licht durch die Akkus selbst scheint.

Mit denen lasse sich theoretisch etwa halb so viel Strom speichern wie mit gleich großen nicht-transparenten Akkus, sagt Cui. Zwar könnte man die Gitterdrähte noch dicker machen, um mehr Energie zu speichern. Doch das würde irgendwann auf Kosten der Lichtdurchlässigkeit gehen.

Die bisherigen Prototypen können 20 Wattstunden Energie pro Liter Materialvolumen aufnehmen. Das entspricht einer herkömmlichen Nickel-Cadmium-Batterie. Cui geht aber davon aus, dass sich die Kapazität noch verzehnfachen lasse. Dazu müssten zum einen die Polymerschichten dünner, zum anderen die vom Elektrodenmaterial auszufüllenden Kanäle tiefer im Polymer eingekerbt werden.

Eine andere Möglichkeit wäre, mehrere der durchsichtigen Batterieschichten zu stapeln. Wichtig hierbei ist, dass die Gitterstrukturen der verschiedenen Schichten exakt übereinander liegen, damit die Transparenz erhalten bleibt. Die Prototypen haben eine Diagonale von 2,6 Zentimetern (ein Zoll). Im Prinzip sei es aber möglich, die transparenten Flach-Akkus in jeder gewünschten Größe zu fertigen, sagt Cui.

Das Paper:
Yanga, Y. et al.: „Transparent lithium-ion batteries“, PNAS (Abstract) (nbo)