Nano-Technik steigert Akkulaufzeit

Die US-Firma Energ2 hat eine Anode entwickelt, mit der sich die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien um 30 Prozent steigern lässt.

Das Start-up EnerG2 aus dem amerikanischen Seattle hat eine neuartige Batterieanode entwickelt, die die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus um bis zu 30 Prozent erhöhen kann, ohne dass deren Design stark verändert oder der aufwändig Herstellungsprozess angepasst werden müsste. Die Anode ist die negativ geladene Elektrode einer Batterie, die die Elektronen während des Entladevorgangs anzieht. Die Herstellung der Komponente hat bereits gewonnen, sagt EnerG2.

Akkus mit höherer Energiedichte geben Elektroautos eine größere Reichweite bei gleichem Gewicht und erlauben die Herstellung leichterer und dünnerer Elektronikgeräte. Dabei wird häufig mit neuartigen Batteriechemien und Materialien experimentiert, die einen vergleichsweise hohen Produktionsaufwand bedeuten.

Das Besondere der EnerG2-Anode liegt in ihrem Aufbau: Sie besteht aus einer amorphen Kohlenstoffnanostruktur, die pro Flächeneinheit bis zu 50 Prozent mehr Energie aufnehmen kann als herkömmliche Anoden aus dem sehr strukturierten Graphit. Experimente mit diesem sogenannten "harten Kohlenstoff" werden schon seit einigen Jahren durchgeführt, EnerG2 gelang es nun aber, eine so gefertigte Anode haltbarer und damit praktisch nutzbar zu machen.

EnerG2 nutzt ein Verfahren, das ursprünglich an der University of Washington entwickelt wurde. Es erlaubt die Herstellung von Kohlenstoff mit ausgewählten Eigenschaften. Zu den ersten Produkten des Start-ups zählten Bleisäurebatterien und Komponenten für Ultrakondensatoren, zwei im Vergleich zum Lithium-Ionen-Sektor eher kleine Märkte.

Der Prozess erlaubt eine genaue Kontrolle der chemischen Reaktionen, die ablaufen, wenn Rohkohlenstoff ins Endprodukt konvertiert wird. Dabei lassen sich Oberfläche, Porengröße und Porendichte des Kohlenstoffs für verschiedene Anwendungen anpassen. Dieser Prozess ist normalerweise teurer als die Verwendung organischer Quellen. Laut EnerG2 gelang es aber, den Prozess soweit zu vereinfachen, dass er nicht teurer ist als bisherige Verfahren zur Kohlenstoffproduktion für Batterieanwendungen.

Die Firma hofft, mit ihrer Technik, die auch noch eine passende Kathode benötigt, Batteriehersteller für sich zu gewinnen, die damit beispielsweise leichtere Tablets oder Smartphones ausrüsten könnten. Ein zentrales Problem gibt es allerdings: Das neue Anodenmaterial ist rund 20 Prozent teurer als Graphit, erst eine großangelegte Massenproduktion würde die Kosten senken. Aus diesem Grund sei fraglich, ob auch Automobilhersteller zugreifen, wie Cosmin Laslau vom Lux Research meint – dafür seien die Kosten zu hoch.

Auch andere junge Unternehmen sind derzeit dabei, bessere Batterieelektroden für Lithium-Ionen-Akkus zu entwickeln. Zwei bereits mit Risikokapital ausgestattete Start-ups, Envia Systems und Amprius, entwickeln Anoden aus Silizium, das ebenso hilft, die Energiedichte zu erhöhen. Die Zahl der Entladevorgänge reduziert sich hiermit aber potenziell. Zudem kann das EnerG2-Material recht einfach in bestehende Produktionsstraßen eingebaut werden und Graphit-Anoden einfach ersetzen. "Viel Batteriedesign benötigt man nicht, um dieses Material zu verwenden", sagt EnerG2-CEO Rick Luebbe.

Die Firma hat bereits gezeigt, wie eine Massenproduktion ablaufen konnte. Dazu erhielt sie bereits im Jahr 2010 US-Bundesmittel in Höhe von 21 Millionen Dollar, um eine Fabrik in Albany, Oregon, zu bauen, die bereits läuft. Analyst Laslau sieht darin einen Vorteil. "Es gibt keinen Mangel an fantastischen Materialien für Anoden. Die zentrale Frage ist, ob es gelingt, die Produktion von ein paar Gramm auf Tausende Tonnen hochzuskalieren."

Der harte Kohlenstoff lässt sich laut EnerG2 aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften auch noch für andere Anwendungen nutzen. Dazu gehört beispielsweise das Speichern von Erdgas unter geringem Druck. Dies könnte Erdgasautos energieeffizienter und sicherer machen, glaubt Luebbe. (bsc)