Und sie laufen, und sie laufen, und sie laufen: Nanoröhren machen Lithium-Akkus leistungsfähiger. Die ersten 3-D-Batterien für Mobilgeräte könnten bald in Serie gehen.
Wissenschaftler der Colorado State University in Fort Collins haben den Prototypen einer neuen 3-D-Batterie entworfen. Die Konstruktion beruht auf Lithium-Ionen-Zellen, ähnlich den heute schon gebräuchlichen Handy- und Laptop-Batterien. Mit einer dreidimensionalen Struktur aber lassen sich die Akkus schneller laden als bisher und könnten so auch für Elektroautos und andere Geräte mit hohen Energieanforderungen zum Einsatz kommen.
Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien dauert das Aufladen mehrere Stunden. Ein Team um die Chemikerin Amy Prieto hat jetzt einen Akku in der Grösse einer Handy-Batterie vorgestellt, der nach völliger Entleerung in zwölf Minuten wieder voll einsatzbereit ist. Eine kommerzielle Batterie aus einem Serien-Mobiltelefon würde etwa zwei Stunden für die gleiche Energieleistung brauchen, kalkuliert die Chemikerin. Der Prototyp kann ausserdem rund zweimal so häufig wieder aufgeladen werden wie marktübliche Batterien.
Doppelt so viel Energie
Prietos Forschungsprojekt ist Teil eines grösseren Programms der National Science Foundation zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die schon jetzt ihre kostengünstigeren Vettern aus Nickel-Cadmium (Ni-Cad) in mehrfacher Hinsicht übertreffen. So können Li-Ion-Akkus bei gleicher Grösse rund doppelt so viel Energie speichern.
Durch ihre hohe Spannung von 3,6 Volt pro Zelle können Batterien mit nur einer Zelle konstruiert werden: Sie fallen dadurch bei gleicher Leistung kompakter und leichter aus als die Ni-Cad-Batterien. Zudem entfällt bei ihnen der von der älteren Ni-Cad-Technologie bekannte «Memory-Effekt», der die Ladekapazität der Akkus stückweise verringert.
Spezielle Mikroschaltungen machen die Batterie teuer
Für den Schnellladeeffekt der 3-D-Batterien wurde die Chemie der Batterien grundlegend verändert. In konventionellen Li-Ionen-Akkus bestehen die positiven Elektroden, genannt Kathoden, aus Lithium und ihre negativen Gegenpole (Anoden) aus Kohlenstoff. In mehreren dünnen Schichten werden die Elektroden übereinandergestapelt, getrennt von einem Elektrolyt-Material.
In Betrieb fliessen geladene Lithium-Partikel von den Anoden durch die Elektrolyt-Flüssigkeit zu den Kathoden und entladen dabei die Batterie. Beim Wiederaufladen wandern sie in die umgekehrte Richtung. Die Rückwärtsbewegung ist jedoch langsam und führt zur Erhitzung. Daher müssen spezielle Mikroschaltungen zur Wärmeregelung eingebaut werden, was die Batterien teuer macht.
In Prietos Prototyp wird nun die Grafit-Elektrode durch Nanodrähte aus Antimonid ersetzt, einer speziellen Legierung aus Kupfer und Antimon. Trotz ihres winzigen Durchmessers – rund 50'000 passen gebündelt in ein menschliches Haar – haben diese Nanodrähtchen eine enorm grosse Oberfläche und können so doppelt so viel Lithium-Ionen speichern wie die gleiche Menge Grafit. Sie sind ausserdem chemisch stabiler als der Kohlenstoff und resistenter gegen Hitze.
Die nächste Herausforderung wird die Autobatterie
Dicht gepackt in dreidimensionaler Struktur sehen die Antimonid-Nanodrähte im 3-D-Prototyp wie die Borsten einer Kleiderbürste aus. Im Gehäuse einer herkömmlichen Handy-Batterie werden sie mit einer dünnen Schicht aus Elektrolytmaterial überzogen und danach mit dem Lithium als Kathode umgeben. Die Labortests haben Ladezeiten von zwölf Minuten ergeben.
Forschungsleiterin Prieto kalkuliert die Lebensdauer der Zellen auf etwa doppelt so lange wie bei derzeitigen Serienbatterien für Mobiltelefone. Die Chemikerin hat vor kurzem die Startup-Firma Prieto Battery gegründet. Die kommerzielle Version der Akkus soll dünner und leichter werden als die derzeitigen Prototypen. In etwa zwei Jahren könnten die ersten 3-D-Batterien für Mobilgeräte serienreif sein. Danach wollen Prieto und ihr Team sich des Themas Autobatterie annehmen.
Quelle: Tages Anzeiger
Wissenschaftler der Colorado State University in Fort Collins haben den Prototypen einer neuen 3-D-Batterie entworfen. Die Konstruktion beruht auf Lithium-Ionen-Zellen, ähnlich den heute schon gebräuchlichen Handy- und Laptop-Batterien. Mit einer dreidimensionalen Struktur aber lassen sich die Akkus schneller laden als bisher und könnten so auch für Elektroautos und andere Geräte mit hohen Energieanforderungen zum Einsatz kommen.
Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien dauert das Aufladen mehrere Stunden. Ein Team um die Chemikerin Amy Prieto hat jetzt einen Akku in der Grösse einer Handy-Batterie vorgestellt, der nach völliger Entleerung in zwölf Minuten wieder voll einsatzbereit ist. Eine kommerzielle Batterie aus einem Serien-Mobiltelefon würde etwa zwei Stunden für die gleiche Energieleistung brauchen, kalkuliert die Chemikerin. Der Prototyp kann ausserdem rund zweimal so häufig wieder aufgeladen werden wie marktübliche Batterien.
Doppelt so viel Energie
Prietos Forschungsprojekt ist Teil eines grösseren Programms der National Science Foundation zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die schon jetzt ihre kostengünstigeren Vettern aus Nickel-Cadmium (Ni-Cad) in mehrfacher Hinsicht übertreffen. So können Li-Ion-Akkus bei gleicher Grösse rund doppelt so viel Energie speichern.
Durch ihre hohe Spannung von 3,6 Volt pro Zelle können Batterien mit nur einer Zelle konstruiert werden: Sie fallen dadurch bei gleicher Leistung kompakter und leichter aus als die Ni-Cad-Batterien. Zudem entfällt bei ihnen der von der älteren Ni-Cad-Technologie bekannte «Memory-Effekt», der die Ladekapazität der Akkus stückweise verringert.
Spezielle Mikroschaltungen machen die Batterie teuer
Für den Schnellladeeffekt der 3-D-Batterien wurde die Chemie der Batterien grundlegend verändert. In konventionellen Li-Ionen-Akkus bestehen die positiven Elektroden, genannt Kathoden, aus Lithium und ihre negativen Gegenpole (Anoden) aus Kohlenstoff. In mehreren dünnen Schichten werden die Elektroden übereinandergestapelt, getrennt von einem Elektrolyt-Material.
In Betrieb fliessen geladene Lithium-Partikel von den Anoden durch die Elektrolyt-Flüssigkeit zu den Kathoden und entladen dabei die Batterie. Beim Wiederaufladen wandern sie in die umgekehrte Richtung. Die Rückwärtsbewegung ist jedoch langsam und führt zur Erhitzung. Daher müssen spezielle Mikroschaltungen zur Wärmeregelung eingebaut werden, was die Batterien teuer macht.
In Prietos Prototyp wird nun die Grafit-Elektrode durch Nanodrähte aus Antimonid ersetzt, einer speziellen Legierung aus Kupfer und Antimon. Trotz ihres winzigen Durchmessers – rund 50'000 passen gebündelt in ein menschliches Haar – haben diese Nanodrähtchen eine enorm grosse Oberfläche und können so doppelt so viel Lithium-Ionen speichern wie die gleiche Menge Grafit. Sie sind ausserdem chemisch stabiler als der Kohlenstoff und resistenter gegen Hitze.
Die nächste Herausforderung wird die Autobatterie
Dicht gepackt in dreidimensionaler Struktur sehen die Antimonid-Nanodrähte im 3-D-Prototyp wie die Borsten einer Kleiderbürste aus. Im Gehäuse einer herkömmlichen Handy-Batterie werden sie mit einer dünnen Schicht aus Elektrolytmaterial überzogen und danach mit dem Lithium als Kathode umgeben. Die Labortests haben Ladezeiten von zwölf Minuten ergeben.
Forschungsleiterin Prieto kalkuliert die Lebensdauer der Zellen auf etwa doppelt so lange wie bei derzeitigen Serienbatterien für Mobiltelefone. Die Chemikerin hat vor kurzem die Startup-Firma Prieto Battery gegründet. Die kommerzielle Version der Akkus soll dünner und leichter werden als die derzeitigen Prototypen. In etwa zwei Jahren könnten die ersten 3-D-Batterien für Mobilgeräte serienreif sein. Danach wollen Prieto und ihr Team sich des Themas Autobatterie annehmen.
Quelle: Tages Anzeiger
