Technologie

Mit Nanotechnologie Akku-Kapazität verdoppelt

Elektrische Energiespeicher sollen leistungsfähiger und günstiger werden. Mit diesem Ziel entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer IWS zusammen mit Forschungspartnern neue Materialien und Produktionsverfahren für Hochleistungs-Batterien. Sie stellen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren Elektroden aus Kohlenstoffnanoröhren her, die sie mit Schwefel infiltrieren. Diese neuen und gleichzeitig preiswerten Elektrodenwerkstoffe ermöglichen mit ihrer hohen Kapazität eine Verdoppelung der Energiedichte gegenüber handelsüblichen Li-Ionen-Batterien.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahlentechnik IWS haben zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT ein neues Verfahren zur Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Komposit-Kathoden mit sehr günstiger elektrischer Struktur und ohne den Einsatz von Bindern entwickelt. Mit dem einfachen Verfahren werden vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren-Schichten (carbon-nanotubes, kurz: CTN) auf Metallfolien wie zum Beispiel Aluminium, Nickel, Edelstahl abgeschieden. In diese Struktur kann der Schwefel infiltriert werden. Das Ergebnis sind stabile, kompakte Elektroden, die durch die nanoskaligen Röhrchen elektrisch sehr gut kontaktiert sind. Die eingesetzten Elektrolyte sind organisch, ionisches Liquid, Gel-Polymer bzw. eine Kombination von Festionenleiter und organischem Elektrolyt.

Die Kapazitäten gegen Lithium erreichen je nach Ableiter zwischen 4 und 20 mAh/cm² Elektrode. Zum Vergleich: Elektroden auf Pastenbasis für Li-Ion- oder Li-Schwefel-Batterien erreichen 2 bis 3 mAh/cm².

Bei den neuen Akkumulatoren mit nanostrukturierten Materialien besteht die Kathode aus Kohlenstoffnanoröhren(CNT)-Elektroden als Träger für Schwefel oder Lithiumsulfid, die Anode aus Silizium- oder Li22Si5-Nanodrähten. Gegenüber den bisher verwendeten Elektroden haben die neuen Schwefelkathoden mit der höheren Kapazität des Schwefels deutlich höhere Energiedichten. Die Leitfähigkeit des preiswerten Rohstoffs ist jedoch niedrig, daher muss dieser in eine leitfähige Matrix eingebracht werden, um möglichst auf der Nanoskala kontaktiert zu werden und damit elektrochemisch nutzbar zu sein.

Für die Silizium-Anode werden Silizium-Nano- oder Mikrodrähte über ein Ätzverfahren mit definiertem Durchmesser und Abstand hergestellt. Stabilisierungsebenen verhindern ein Zusammenkleben der Siliziumdrähte und erlauben ein einfaches Abreißen vom Siliziumsubstrat. Der Kupfer-Ableiter wird galvanisch aufgetragen.

Forschungskooperation für Hochleistungsbatterien

Das Projekt „AlkaSuSi-Alkalimetall Schwefel und Silizium“ wird vom Bundesforschungsministerium gefördert und gemeinsam mit Wissenschaftlern vom Fraunhofer ICT und der Universität Kiel weiterentwickelt. Es umfasst Auswahl, Kombination und Balancing der neuen Materialien sowie Sicherheitstests der Zellen mit Überladen, Quetschen, Kurzschließen, Hitze- und Kälteeinfluss. Außerdem soll gezeigt werden, dass Herstellungsverfahren für Materialien und Komponenten für die kostengünstige Massenfertigung geeignet sind. Bezogen auf die Masse des Schwefels haben die neuen Materialien mit bis zu 1.300 mAh/g eine äußerst hohe Kapazität. Mit 900 mAh/g, bezogen auf die Masse des Komposits, übertreffen sie deutlich die entsprechenden Werte von binderhaltigen Elektroden. Die Projektpartner wollen Demonstrator-Zellen mit Schwefel-Kathode und Silizium-Anode herstellen, die Energiedichten von mehr als 400 Wh/kg erreichen.

(Quelle: BINE Informationsdienst)

 

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