Kristalle aus Nanoschichten für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akkus

19. Oktober 2007 von Lars Fischer in Technik

Wegen ihres geringen Gewichts im Verhältnis zur elektrischen Leistung setzt man für die Energieversorgung tragbarer Geräte wie Handys, Digicams oder Laptops bevorzugt Lithium-Ionen-Akkumulatoren ein. Bei diesen Geräten wandern Lithium- Ionen zwischen Kathode und Anode und erzeugen auf diese Weise elektrischen Strom. Der Haken an der Sache ist, dass sich die Elektrodenmaterialien bei Aufnahme und Abgabe von Lithiumionen ausdehnen oder zusammenziehen, was je nach Material zur Verkürzung der Lebensdauer führt.

Dieses Problem ist bisher nur bei der negative Elektrode (Anode) eines solchen Akkus zufriedenstellend gelöst: Sie besteht aus Graphit, zwischen dessen gegeneinander bewegliche Schichten Lithiumionen eingelagert werden.
Die positive Elektrode (Kathode) ist dagegen meist aus Metalloxiden wie LiMn2O4, die zwar auch aus Schichten aufgebaut sind, während Ladung und Entladung jedoch zerstört werden können.

Chemiker haben jetzt ein Material entwickelt, das dieses Problem löst: Einen Kristall, der aus Nanoschichten aufgebaut ist.

Eine Nano-Klorolle
Bemerkenswert ist schon der Herstellungsprozess des Materials. Es besteht aus Wolframsulfid (WS2), das durch die Reaktion von Wolframoxid mit Schwefelwasserstoff entsteht. Man kann flache Nanoschichten allerdings nicht direkt herstellen, weil sie sich bei den herkömmlichen Verfahren aus energetischen Gründen sofort aufrollen.

Deswegen griffen die Wissenschaftler um Professor Jinwoo Cheon von der Universität Seoul zu einem Trick: Sie benutzten Rollen aus konventionell hergestellten Wolframoxid-Nanoschichten und ließen sie in Hexadecylamin mit Schwefelwasserstoff reagieren. Das Sulfid bildet sich an der freiliegenden Kante jeder Rolle. Durch mechanische Spannungen zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien kann sich die neu entstehende Schicht aus Wolframsulfid jedoch nicht aufrollen, so dass die Wolframoxid-Rollen mit fortschreitender Reaktion abgewickelt werden wie Klopapier. Übrig bleiben flache Wolframsulfid-Blätter, die sich automatisch übereinander Stapeln.

In die Lücken zwischen den Schichten passen wesentlich mehr Lithiumionen als bei herkömmlichen Elektrodenmaterialien. Der Schichtkristall erreichte in ersten Versuchen eine Spezifische Ladung von 377 Amperestunden pro Kilogramm, etwa das doppelte dessen, was derzeit gebräuchliche Kathodenmaterialien erreichen. Wie die Wissenschaftler in einer Vorabveröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie berichten, blieb diese Eigenschaft im Versuch über dreißig Ladezyklen stabil.

Neben neuen Elektrodenmaterialien bieten derartige Schichtkristalle enorme Möglichkeiten für andere Anwendungen wie die chemische Katalyse.

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