In der Nanotechnologie gibt es Partikel, die einen Kern und eine Hülle haben, dazwischen aber einen flexiblen Zwischenraum. Der Aufbau ähnelt einem Ei, dessen Dotter durch das Eiweiß nicht in Kontakt zur Schale kommt. Forscher sprechen daher von einer "Yolk-Shell"-Struktur.
Diese Struktur könnte nun den Batteriemarkt aufmischen. Solche Nanopartikel könnten nämlich den Einsatz von Aluminium für Elektroden ermöglichen.
Elektroden schicken Elektronen durch den Stromkreis und sorgen so für elektrischen Strom. Dabei müssen sie verschiedenen Anforderungen standhalten. In den verbreiteten Lithum-Ionen-Batterien wird deshab vor allem das robuste Graphit eingesetzt.
Lithium könnte zwar das Zehnfache an Energie speichern – allerdings auch deutlich schneller kurzschließen oder sogar entflammen. Silizium und Zinn haben hohe Kapazitäten, die allerdings durch das Be- und Entladen schnell nachlassen.
Aluminium ist sehr günstig, hat eine rund fünfmal so hohe Kapazität wie Graphit, aber ebenfalls ein großes Problem: "Es dehnt sich aus, wenn die hohe Kapazität beansprucht wird", erklärt Ju Li, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Aluminium-Elektroden können ihre Ausdehnung verdoppeln: "Wenn sie Lithium aufnehmen, dann wachsen sie, wenn sie es freisetzen, dann schrumpfen sie."
Ausdehnung im EiDas sorgt nicht nur für das mechanische Problem, dass elektrische Kontakte die Verbindung verlieren. Auch eine Haut, welche die Elektrolyte-Flüssigkeit um die Elektrode bildet, bekommt bei der Ausdehnung Lücken. Und das wiederum wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie aus.
Hier kommen die ei-ähnlichen Nano-Partikel ins Spiel: Besteht nämlich das "Eigelb" im Inneren der Partikel aus Aluminium, kann sich dieses nach Herzenslust ausdehnen – die Schale bleibt stabil. Diese besteht aus Titan-oxid, deht sich deutlich weniger aus und kann so problemlos von der Elektrolyte ummantelt werden. Lithium-Ionen bzw. Elektronen hingegen passieren die Titanoxid-Hülle und können das Aluminium erreichen.
Mit solchen Elektroden konnte die Kapazität im Labor bereits verdreifacht werden, erklärt Li. Und das bei gleichbleibender Ladedauer. Material und Herstellung seien vergleichweise günstig. Im Journal Nature Communications, das die Ergebnisse veröffentlichte, zeigt sich Li überzeugt, dass solche Batterien auch mehr Ladezyklen überstehen und mehr Leistung bieten können. So könnte die Nano-Technologie auch den Batteriemarkt erobern.
