Nanoforschung: Bessere Akkus mit Kohlenstoff-Nanoteilchen

Die Zahl der mobilen Elektrogeräte vom Smartphone bis hin zum E-Bike steigt weltweit kontinuierlich an. Damit wächst auch der Bedarf für kleine, leichte und gleichzeitig leistungsfähige Akkus. Nachdem die Entwicklung der sogenannten Lithium-Ionen-Akkus weitgehend ausgereizt ist, schaut die Fachwelt auf neue, vielversprechende Stromspeicher, die Lithium-Schwefel-Akkus. Um deren Realisierung voranzutreiben entwickelte ein Team um den LMU-Chemiker Professor Thomas Bein und Linda Nazar von der kanadischen Waterloo Universität poröse Nanopartikel aus Kohlenstoff, in denen der Schwefel so eingelagert ist, dass eine größtmögliche Leistungsfähigkeit des Akkus erreicht wird.

Die bisherigen Prototypen des Lithium-Schwefel-Akkus bestehen aus einer Lithium-Elektrode und einer Schwefel-Kohlenstoff-Elektrode, zwischen denen Lithium-Ionen ausgetauscht werden. Der Schwefel spielt in diesem System eine besondere Rolle: zum einen kann er im Idealfall zwei Lithium-Ionen pro Schwefelatom aufnehmen und ist daher wegen seines geringen Gewichts ein exzellenter Energiespeicher. Gleichzeitig ist er aber selber kaum leitfähig, so dass Elektronen beim Be- und Entladen nur schwer weitertransportiert werden können. Die Idee der Münchner Wissenschaftler ist es daher, Schwefel mit einer möglichst großen Oberfläche zur Elektronenaufnahme zu generieren und ihn gleichzeitig an leitfähiges Material zu koppeln.

Dazu entwickelten Thomas Bein, Mitglied bei der Nanosystems Initiative Munich (NIM), und sein Team ein Gerüst aus porösen Kohlenstoffnanopartikeln. In den 3-6 Nanometer großen Poren kann sich der Schwefel homogen verteilen. Dadurch liegen fast alle Schwefelatome frei zugänglich, um Lithium-Ionen aufzunehmen. Gleichzeitig befinden sie sich in der Nähe des leitfähigen Kohlenstoffs.

"Der Schwefel ist in den neuartigen hochporösen Kohlenstoffnanoteilchen elektrisch sehr gut zugänglich und wird darin stabilisiert, so dass wir eine hohe Anfangskapazität von 1200 mAh/g und gute Zyklenstabilität erzielen konnten", erklärt Thomas Bein. "Unsere Ergebnisse zeigen die große Bedeutung der Nano-Morphologie für die Leistungsfähigkeit neuer Konzepte zur Energiespeicherung."

Die Kohlenstoff-Struktur verringert auch das sogenannte Polysulfid-Problem. Polysulfide entstehen als Zwischenprodukt der Elektrolyse und können das Laden und Entladen des Akkus beeinträchtigen. Der Kohlenstoff bindet das Polysulfid jedoch solange, bis dessen Umwandlung zum unschädlichen Dilithiumsulfid abgeschlossen ist. Zusätzlich konnten die Wissenschaftler das von ihnen entwickelte Kohlenstoff-Material mit einer dünnen Silizium-Oxid-Schicht überziehen, die vor Polysulfid schützt, ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.

Mit ihrem neuem Material stellten die Wissenschaftler ganz nebenbei einen neuen Rekord auf: Unter allen mesoporösen Kohlenstoff-Nanopartikeln weist ihr Material nach aktueller Datenlage das bisher größte innere Porenvolumen (2,32 cm³/g) und die extrem hohe Oberfläche von 2445 m²/g auf. Das entspricht ungefähr dem Volumen eines Zuckerwürfels und der Oberfläche von zehn Tennisfeldern - vielleicht werden ähnlich große Oberflächen bald in unseren Akkus stecken.

Quelle: idw / Universität München