Bessere Anoden für bessere Elektroden

Koreanische Forscher wollen Germanium-Nanoröhrchen nutzen, um deutlich leistungsfähigere Akkus zu bauen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren würden länger durchhalten, wenn ihre Elektroden mehr Ladung speichern könnten. Wissenschaftler aus Korea haben nun eine neuartige Anode entwickelt, die die dreifache Ladungsmenge herkömmlicher Graphit-Anoden vertragen soll.

Die neue Anode besteht aus Germanium-Nanoröhrchen und lässt sich bis zu fünfmal schneller laden als konkurrierende Silizium-Anoden. Im Labor hält das Material 400 Ladezyklen durch, was regulären Graphit-Anoden entspricht. Das sei ausreichend für tragbare Elektronik, wie Jaephil Cho, Forscher am Ulsan National Institute of Science and Technology und Leiter des Projekts, sagt. "Diese Anoden entsprechen den praktischen Anforderungen, die bei Lithium-Ionen-Zellen erfüllt sein müssen."

Che arbeitete mit der Forschungsabteilung des Batterieherstellers LG Chem zusammen, dessen Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise in Elektrofahrzeugen wie dem Chevy Volt stecken.

Das Projekt ist Teil einer Kampagne von LG Chem, bessere Anodenmaterialien für Batterien mit höheren Kapazitäten zu erhalten. "Die Firma sucht nach einer Technologie, die endlich den Durchbruch bringt", so Cho. Dabei experimentiere man sowohl mit Silizium als auch mit Germanium, beides in Form von Nanostrukturen.

Silizium und Germanium können zumindest theoretisch auf das Gewicht gerechnet bis zu zehnmal mehr Ladung aufnehmen als Graphit-Anoden. Bislang galt Standardsilizium als interessant, weil es recht billig ist, doch der kristalline Stoff kann durch den notwendigen Ausdehnungs- und Schrumpfprozess, den die Elektrode tagtäglich mitmacht, zersetzt werden.

Nanostrukturen widerstehen solchem mechanischen Stress besser. Anoden aus Nanodrähten, Nanoröhrchen und porösen Nanopartikeln wurden bereits getestet. Von diesen hätten Nanoröhrchen die beste Ladekapazität, meint Cho.

Der Nachteil von Anoden aus Silizium-Nanoröhrchen liegt allerdings in der kurzen Lebensdauer: Ihre Kapazität behalten sie derzeit nur für 200 Ladezyklen. Germanium-Nanoröhrchen halten mit 400 Ladezyklen nicht nur länger durch, sondern laden sich schneller auf, weil Lithium-Ionen leichter durch das Germanium diffundieren.

"Eine hohe Anzahl an Ladezyklen ist ein wichtiger Parameter zur Herstellung praktikabler Anoden", sagt Stanford-Materialwissenschaftler Yi Cul, dessen Start-up Amprius Batterien mit Silizium-Nanodraht-Anoden kommerzialisiert. "Als erste Demonstration ist das, was Kollege Cho macht, sehr beeindruckend." Die höheren Kosten für Germanium seien aber noch ein Problem.

Cho glaubt jedoch, dass das zunehmende Interesse an Germanium-Anoden die Materialkosten senken könnte. "Germanium ist ein Element mit hoher Verfügbarkeit und der aktuelle Preis hat vor allem mit der geringen Nachfrage zu tun." Solange das so bleibt, sinken auch die Kosten nicht. "Doch sobald ein großer Hersteller das Material als alternativen Kandidaten für Anoden entdeckt, gehen die ganz schnell runter."

Die koreanischen Forscher stellen ihre Nanoröhrchen her, indem sie Antimon-beschichtete Germanium-Nanodrähte auf 700 Grad erhitzen – fünf Stunden lang. Die Germanium-Atome diffundieren dann nach außen und bilden hohle Nanoröhrchen mit einer Wandstärke von 40 Nanometern. Dieser Prozess sollte sich leicht hochskalieren lassen und sich auch für Silizium eignen, glauben die Forscher. Hinzu kommt, dass sich der Ausschuss im Gegensatz zu anderen Methoden zur Synthetisierung in Grenzen hält.

Cho wird seine Zusammenarbeit mit LG Chem und weiteren koreanischen Firmen aber auch im Bereich von Anoden aus porösen Silizium-Nanopartikeln fortsetzen. In der Zwischenzeit sind Cui und andere Forscher dabei, verschiedene neue Materialien für Kathoden zu untersuchen, die derzeit eine wesentlich geringere Energiedichte als die Anoden haben und die Gesamtkapazität von Batterien nach wie vor einschränken. (bsc)