aus der Forschung des Karlsruher Instituts für Technologie

„Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ist die maximale Speicherkapazität nahezu erreicht“, sagt Dr. Maximilian Fichtner, der die Gruppe „Energiespeicherung“ am INT leitet. „Es gibt nur noch wenig Spielraum, um die Leistungsfähigkeit dieser Systeme zu steigern.“ Bisher gebräuchliche Lithium-Ionen-Batterien sind schwer und speichern nur etwa 0,2 Kilowattstunden pro Kilogramm. Beim Benzintank sind es im Vergleich dazu etwa neun Kilowattstunden pro Kilogramm.

Energiewunder: Eisen und Kohlenstoff

Das Team um Maximilian Fichtner setzte daher auf völlig neue Materialien, mit denen sich deutlich mehr Energie auf kleinem Raum speichern lässt: Eisen und Kohlenstoff mit Strukturen im Nanometerbereich. Allerdings büßten diese Materialien in Laborversuchen bei wiederholtem Laden und Entladen der Akkus bislang schnell an Speicherkapazität ein. Das Forscherteam um Fichtner entwickelte daher mit einem speziellen Syntheseverfahren ein wesentlich leistungsfähigeres Speichermaterial. Dabei werden preiswerte eisenorganische Verbindungen mit einem Lithiumsalz vermischt und dann auf 700 Grad erhitzt. Dadurch bildet sich eine komplett neue Nanostruktur aus, die von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff durchzogen ist.

Energiespeicherfähigkeit bereits doppelt so hoch

Die winzigen Eisen-Kohlenstoffstrukturen erfüllen eine Doppelfunktion: einerseits als Speichereinheit, andererseits als Leiterbahn. Zudem werden die Eisennanopartikel von den Kohlenstoffröhrchen so umschlossen, dass ein fester Kontakt zwischen Partikel und Elektrode entsteht. „Das Verfahren ist einfach, kostengünstig und die hohe Speicherkapazität der Eisen-Kohlenstoffelektrode bleibt durch den guten elektrischen Kontakt sehr lange erhalten“, erklärt Fichtner die Vorteile. Eisen und Kohlenstoff in dieser Form sind wahre Energiebündel: Die spezifische Kapazität des neuen Materials, also die Fähigkeit, Energie zu speichern, liegt heute schon beim Doppelten im Vergleich zu herkömmlichen Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien.

Speicherdichte künftig um bis das Fünffache steigerbar

„Dies ist weltweit das erste Beispiel für ein stabiles Speichermaterial für hochleistungsfähige  Konversionselektroden, in das sich deutlich mehr Elektronen und Lithium auf kleinem Raum ‚packen‘ lassen als bei herkömmlichen Verfahren“, betont Fichtner. „Konversionsmaterialien sind reaktive Nanokomposite, in denen chemische Prozesse unter Beteiligung von Lithium ablaufen. In Elektroden sind diese Prozesse normalerweise schwer zu kontrollieren. Die Stabilität des neuen Materials ist daher ein enormer Fortschritt. Gelingt es uns, das Potenzial des Verfahrens voll auszuschöpfen und gleichzeitig die anderen Komponenten der Batterie zu optimieren, können wir die Speicherdichte von Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor Fünf verbessern“.

Helmholtz-Institut für Elektrochemische Energiespeicherung in Ulm

Die Wissenschaftler entwickeln und erforschen das Verfahren daher am neu gegründeten Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) weiter. Das KIT ist Gründer und Träger der Forschungseinrichtung in Kooperation mit der Universität Ulm.

Saskia Kutscheidt