Mit Seetang zu besseren Batterien

Ein natürliches Bindemittel, das bislang in Eiscreme oder Kosmetika verwendet wird, könnte Lithium-Ionen-Zellen mehr Kapazität verschaffen.

Forscher am Georgia Institute of Technology und an der Clemson University haben ein neues Verfahren gezeigt, mit dem Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) pro Zelle bis zu zehnmal mehr Energie speichern könnten. Die Idee nutzt ein bereits bekanntes Material aus der Natur.

Li-Ion-Akkus könnten deutlich leistungsfähiger sein, wenn es möglich wäre, Silizium- statt Graphit-Anoden zu verwenden. Doch das ist bislang nicht realisierbar, weil solche Anoden sich während der Lade- und Entladezyklen zu schnell zersetzen würden.

Mit einem neuen Zusatzstoff könnte sich das ändern. Es handelt sich dabei um ein häufig verwendetes Bindemittel, das auch als Lebensmittelzusatz genutzt wird. Es wird aus Seetang und Algen gewonnen und gehört zur Klasse der sogenannten Alginate. Mit dem Material würden, so die Forscher, Li-Ion-Akkus nicht nur effizienter, sondern könnten sich auch umweltfreundlicher und billiger herstellen lassen.

Batterien speichern ihre Energie, in dem sich Ionen an der Anode sammeln. Während der Nutzung wandern diese Ionen durch Elektrolyt zur Kathode. Die Anode besteht zumeist aus einem elektroaktiven Graphitpulver, das mit einem Polymer-Binder versetzt wird – typischerweise ein Polyvinylidenfluorid (PVDF). Als Lösungsmittel nutzt man normalerweise NMP. Das Ergebnis ist eine Suspension, die sich über die Metallfolie verteilen lässt, die als Ladungssammler dient. Anschließend erfolgt ein Trocknungsschritt.

Werden Siliziumpartikel als Basis des elektroaktiven Pulvers verwendet, kann die Batterieanode mehr Ionen aufnehmen. Siliziumpartikel schwellen beim Ladezyklus allerdings an und erreichen dann ein bis zu vierfaches Volumen. Dies verursacht Risse im PVDF-Binder, was die Anode langsam zerstört. Die Technik der Forscher von Georgia Tech und Clemson University nutzt nun ein Alginat statt PVDF. Die Siliziumpartikel schwellen zwar ebenfalls an, doch macht dies dem Bindemittel wenig aus. So lässt sich mit wenig Mühe eine stabile Siliziumanode herstellen. Die Prototyp-Anode aus dem Labor der Forscher besitzt die achtfache Kapazität der besten Graphit-basierten Anoden, die derzeit auf dem Markt sind.

Das Polymer-Alginat wird aus Braunalgen hergestellt, darunter ist auch jener Typus, der im Meer riesige Seetangwälder bildet. Anfangs dachten die Forscher, PVDF durch eine Kombination verschiedener Materialien zu ersetzen. Nach etwas Theoriearbeit zeigte sich dann aber, dass ein Polymer mit der richtigen einheitlichen Struktur alles leisten könnte, was ein Binder in einem Akku zu tun bekommt. Neben einer guten strukturellen Unterstützung der restlichen Bestandteile darf es unter anderem nicht zu chemischen Reaktionen mit Elektrolyt kommen.

Gleb Yushin, einer der beteiligten Georgia-Tech-Forscher und Direktor des Center for Nanostructured Materials for Energy Storage, meint, dass einige synthetische Polymere, die aus Pflanzenzellulose bestehen, durchaus die notwendige Struktur besessen hätten. Allerdings sei das Material nicht einheitlich genug gewesen. Deshalb habe sich das Team im Bereich der Wasserpflanzen und Algen umgesehen. "Wir dachten, dass es vielleicht schon ein Polymer geben könnte, das sich anbietet – weil Wasserpflanzen im Seewasser ja bereits im Elektrolyt schwimmen." So war auch gleich das Problem der unerwünschten chemischen Reaktionen gelöst. Das Alginat lässt sich recht einfach gewinnen, indem Seetang in Sodawasser gekocht wird.

Ein weiterer Vorteil gegenüber PVDF liegt darin, dass sich das Alginat bei der Anodenherstellung in Wasser lösen lässt, was NMP entbehrlich macht. Das macht den Prozess potenziell umweltfreundlicher. Außerdem könnte sich das Alginat in bestehende Produktionsprozesse integrieren lassen, indem PVDF und NMP einfach durch Alginat und Wasser ersetzt würden. Das Alginat könnte außerdem die Leistungsfähigkeit von Graphit-basierten Anoden erhöhen oder dort zumindest für mehr Ladezyklen sorgen.

Das volle Potenzial der Silizium-Anode lässt sich allerdings erst dann nutzen, wenn es der Forschung gelingt, eine passende Kathode zu entwickeln, die mit der gleichen Menge an Lithium-Ionen zurechtkommt wie die Anode. Doch selbst mit existierenden Kathoden könnten Alginat-basierte Anoden die Kapazität erhöhen. Das ist dann nicht ganz so spektakulär – um bis zu 40 Prozent, glaubt Yushin. (bsc)