BERLIN. Tablet-PCs, Mobiltelefone, Elektroautos - immer mehr Anwendungen brauchen Akkus für die Stromversorgung. Sie sollen leicht sein, mehr Strom liefern und lange halten. An der Entwicklung solcher Stromspeicher arbeiten Forscher in aller Welt. Zwei Wissenschaftler der Universität in Rom haben eine Möglichkeit gefunden, langlebige und leistungsfähige Akkus zu bauen, die sich auch für Elektroautos eignen.
Dazu haben Bruno Scrosati und Jusef Hassoun die Vorteile eines Lithium-Ionen-Akkus und eines Lithium-Schwefel-Akkus kombiniert. Letzterer hat zwar eine höhere Energiedichte als ein Lithium-Ionen-Akku. Das Problem ist aber, dass sich seine Elektroden mit der Zeit auflösen.
Zudem können Elektroden, die aus einem Metall wie Lithium bestehen, Verästelungen, sogenannte Dendriten, ausbilden, die Kurzschlüsse herbeiführen können. Die Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus bestehen nicht aus Metall, sondern aus einem Material, das Lithium-Ionen aufnehmen und wieder freigeben kann. Oft ist das Graphit.
Kombination aus zwei Techniken
Scrosati und Hassoun kombinierten nun die beiden Techniken zu einem Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akku. Dessen negative Elektrode besteht aus einem Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff und Lithiumsulfid, die positive aus Zinnnanopartikeln in einer Kohlenstoffhülle.
Die organische Elektrolytlösung ersetzten die Wissenschaftler durch eine lithiumionenhaltige Flüssigkeit, die in einer Gel-Polymermembran eingeschlossen ist. So kommt die Flüssigkeit nicht mit den Elektroden in Berührung, was die Elektroden schützt.
Die spezifische Energie dieses Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkus sei fünfmal höher als bei herkömmlichen Akkus, schreiben die beiden Wissenschaftler in einem Aufsatz im deutschen Fachmagazin "Angewandte Chemie", das von der Gesellschaft Deutscher Chemiker herausgegeben wird. Die Ersetzung des Flüssigelektrolyts durch die Polymermembran vereinfache zudem die Herstellung des Akkus und mache ihn sicherer, so die Forscher.
Nahezu zeitgleich zu ersten Veröffentlichungen aus Italien haben auch US-Wissenschaftler neue Werkstoffe für Lithium-Ionen-Akkus vorgeschlagen. Technology Review berichtet von Prototypen, die an der Universität von Stanford gebaut wurden. Dabei wird, ähnlich dem italienischen Konzept, eine Schwefelverbindung als Kathode verwendet.
In Stanford wurde bereits Mitte 2009 eine Anode aus Nanodrähten auf Basis von Silizium hergestellt, nun haben die Wissenschaftler auch die passende Kathode gebaut. Für den nun vollständigen Akku geben sie eine Energiedichte von über 1 500 Wattstunden pro Kilogramm an, heute erhältliche Lithium-Ionen-Akkus kommen nur auf etwa 400 Wattstunden pro Kilo.
Probleme mit der Lebensdauer
Ungelöst ist aber auch in den USA das Problem der Lebensdauer, weil sich die Elektroden durch die aggressive Schwefelverbindung bisher zu schnell auflösen. Technology Review berichtet von rund 40 bis 50 Ladezyklen. Als Ziel sieht das Team um Professor Yi Cui in Stanford 300 bis 500 Zyklen für tragbare Geräte, für Elektroautos müssen es bis zu 1 000 Zyklen sein.
Dennoch scheint die Idee der Schwefelverbindungen breite Akzeptanz zu finden. Auch Forscher der kanadischen Universität Waterloo in Ontario haben entsprechende Elektroden bereits gebaut, das US-Unternehmen Sion Power arbeitet an einer kommerziellen Anwendung der Technik.
Die Forscher der Stanford-Universität haben ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Nano Letters veröffentlicht, die auch online einsehbar ist.
