Nanostrukturen verbessern Lithium-Ionen-Batterien

Li-Ionen-Batterien gelten zurzeit als die besten Kandidaten für den Einsatz in Fahrzeugen oder als stationäre Energiespeicher. Aber selbst mit der modernsten Batterie von rund 100 Kilogramm Gewicht kommt ein Elektroauto heute nur rund 100 Kilometer weit, außerdem sind lange Ladezeiten und Alterungserscheinungen problematisch. „Wir arbeiten an neuen Materialien, um die Energiedichte solcher Li-Ionen-Batterien erheblich zu steigern“, erklärt Dr. Sylvio Indris, Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie.

Indris und sein Team untersuchen dafür keramische Werkstoffe wie Oxide und Chalcogenide, die sie zuvor mit dreidimensionalen Nanostrukturen versehen haben. „Wir arbeiten mit Kristalliten von 4 bis 50 Nanometern, aber untersuchen auch Strukturen aus Hohlkugeln von 14 Nanometern, Durchmesser und 3 Nanometern Wanddicke“, sagt Indris. Elektroden aus derartig strukturierten Materialien können deutlich mehr Lithium aufnehmen als konventionelle Elektroden aus Graphit und Cobaltoxid und speichern daher wesentlich mehr Energie. Auch das Aufladen geht schneller. „Zum Laden und Entladen der Batterie muss ständig Lithium in die Elektroden ein- und ausgebaut werden. In diesen Komposit-Materialien sind die Einbauwege sehr kurz, was Ladevorgänge beschleunigt“, erläutert Indris. Mit Methoden wie Röntgenstreuung und Kernspinresonanzspektroskopie untersuchen die Forscher um Indris, wie sich die Strukturen in den Elektroden verändern und wie sich unterschiedliche Materialien für Elektroden und Elektrolyte während des Batteriebetriebs verhalten. Dabei probieren sie ganz verschiedene Konzepte aus, von ultrastabilen Feststoffbatterien aus aufgedampften Komponenten bis hin zu Batterien, bei denen die Elektroden auf Papier gedruckt werden. „Wir werden Batterietypen für ganz unterschiedliche Anwendungen brauchen und müssen daher viele Ansätze verfolgen“, sagt Indris.