Hybridmaterialien zur Hilfe

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind sogenannte Hybridmaterialien oder Nanokomposite – Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissenschaftler entwickelten ein Material aus mit Antimon angereichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basisschicht aus Graphen. Die Graphenbasis dient der strukturellen Stabilität und trägt gleichzeitig zur Leitfähigkeit des Materials bei. Die Zinnoxid-Teilchen haben nur eine Grösse von weniger als drei Nanometern – also weniger als drei Millionstel Millimeter – und werden direkt auf das Graphen "aufgewachsen". Durch die kleine Grösse der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich ausserdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen – die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

"Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material ausserordentlich leitfähig", erklärt Fattakhova-Rohlfing. "Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern kann als mit herkömmlichen Graphit-Anoden möglich wäre – und bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde sogar das Dreifache", führt sie aus.

"Bisher konnten so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden", sagt Fattakhova-Rohlfing. "Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau." Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1.000 Zyklen noch 77 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

"Die Nanokomposit-Anoden können einfach und kostengünstig produziert werden. Und die angewandten Konzepte lassen sich auch für die Konstruktion anderer Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwenden", erklärt Fattakhova-Rohlfing. Die Forscherin hofft daher, dass die Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.

Das wissenschaftliche Paper der Akku-Forscher ist in der Zeitschrift Advanced Functional Materials erschienen.