Batterie-Design auf der Nanoskala: Die Beschaffenheit der POM-Kristalle auf den Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt sich durch die Ultraschall-Intensität beeinflussen (hier: 4 h bei 60 kHz).
Institut für Anorganische Chemie I / Uni Ulm
Gemeinsam mit chinesischen Kollegen haben Forscher um Professor Carsten Streb von der Universität Ulm ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Lithium-Ionen-Batterien wie sie in Smartphones oder Elektroautos eingesetzt werden, maßschneidern lassen. Um die Akkus zu optimieren, benötigen die Wissenschaftler Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie Metalloxide in Molekülform (POMs). Erste Tests sollen eine schnellere Be- und Entladung entsprechend veränderter Batterien verheißen. Die Ergebnisse seien vor allem für den Bereich Elektromobilität relevant.
Prozesse auf der Nanoskala beeinflussen
An Materialien zur Leistungssteigerung von Batterien wird weltweit intensiv geforscht. Es gilt beispielsweise Metalloxide zu ersetzen, die als relativ schlechte Stromleiter für lange Ladezeiten von Lithium-Ionen-Akkus verantwortlich sind, erläutern die Wissenschaftler. Auf der Festkörperebene falle es jedoch selbst versierten Wissenschaftlern schwer, nachzuvollziehen, warum eine Batterie besser funktioniert als eine andere.
Die deutsch-chinesische Forschergruppe hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Prozesse auf der Nanoskala nicht nur verstehen, sondern auch gezielt beeinflussen lassen sollen. Auf diese Weise wollen die Batterieforscher stabile und leistungsfähige Elektroden für Lithium-Ionen-Akkus nach ihren Wünschen maßschneidern. Die Grundidee: Auf Kationen, die an der Oberfläche von Kohlenstoff-Nanoröhrchen kleben, lassen die Wissenschaftler eine beliebig dicke Schicht aus Metalloxiden in Molekülform (Polyoxometallate / POMs) aufwachsen. Nun können sie an verschiedenen Stellschrauben drehen und so die Eigenschaften der Elektrode auf molekularer Ebene beeinflussen: "Zum einen lässt sich die Dicke der Polyoxometallat-Schicht per Ultraschall einstellen. Eine weitere Möglichkeit ist die chemische Veränderung der Kationen und der POMs", erklärt Professor Streb. Zuvor müssten die in Pulverform vorliegenden Nanoröhrchen jedoch im Ultraschallbad "vereinzelt" und in ein gemeinsames Reaktionsmedium mit den Polyoxometallaten gebracht werden.
Teure Kohlenstoff-Röhrchen
Erste Tests seien vielversprechend verlaufen und würden auf eine schnellere Be- und Entladung entsprechend maßgeschneiderter Batterien gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus hindeuten. Doch bisher seien Herstellung und Aufreinigung der Kohlenstoff-Röhrchen schwierig und kostspielig. „Fünf Gramm Röhrchen, die für einen herkömmlichen Handy-Akku benötigt werden, sind wesentlich teurer als ein ganzes Smartphone“, schränkt Streb ein. Es müsse also ein günstiges Austauschmaterial wie Aktivkohle oder Ruß gefunden werden. Bei diesen und weiteren Herausforderungen erhalten die Kooperationspartner aus Ulm und Peking ab sofort Unterstützung vom Helmholtz-Institut Ulm für elektrochemische Energiespeicherung (HIU).
Die aktuelle Studie der Wissenschaftler wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und dem "National Basic Research Program of China" unterstützt.
Die Ergebnisse des Forscherteams sind in der Fachzeitschrift "Energy and Environmental Science" erschienen: Jun Hu, Yuanchun Ji, Wei Chen, Carsten Streb and Yu-Fei Song: "Wiring" redox-active polyoxometalates to carbon nanotubes using a sonication-driven periodic functionalization strategy. Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1095-1101. DOI: 10.1039/C5EE030