Aktuell 17.04.2019
In einer normalen Lithium-Ionen-Batterie, wie sie in Autos und elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops eingesetzt wird, besteht die Anode, eine der beiden Elektroden, aus Graphit, die andere, die Kathode, aus Lithium-Kobalt-Oxid.
Experte Nikhil Koratkar hat Kobaltoxid im klassischen Kathodenmaterial durch Vanadiumdisulfid ersetzt. 'Das erhöht die Energiedichte und beschleunigt den Ladevorgang, weil es elektrisch sehr gut leitet', sagt Koratkar. Dass Vanadiumdisulfid das Potenzial hat, Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, ist bekannt. Doch alle, die versuchten, es zu nutzen, scheiterten bislang an der Instabilität des Werkstoffs, die die Lebensdauer derartiger Batterien unzumutbar stark verkürzte.
Koratkar und sein Team, zu dem auch Physikprofessor Vincent Meunier gehört, fanden nicht nur den Grund für die Instabilität des Materials heraus, sondern auch ein Mittel dagegen. Die Instabilität hat ihre Ursache in einer Asymmetrie, die dadurch entsteht, dass sich die Abstände zwischen den Vanadium-Atomen verändern. Dies wird als Peierls-Instabilität bezeichnet. Das verhinderten die Forscher, indem sie die Vanadiumdisulfid-Teilchen mit einer nanometerdicken Schicht aus Titandioxid einhüllten. 'Diese Hülle hält die Teilchen zusammen, sodass sie sich nicht mehr bewegen können', so Koratkar.
Als das Problem gelöst war und die US-Wissenschaftler die ersten Elektroden aus dem beschichteten Material und Lithium hergestellt hatten, machten sie eine weitere überraschende Entdeckung. Die so hergestellten Batterien zeichneten sich durch eine hohe Kapazität aus, konnten also besonders viel Strom speichern. Als sie die Batterie immer wieder entladen haben und im Schnellgang wieder aufluden, machten sie noch eine Entdeckung. Die Kapazität verringerte sich kaum im Gegensatz zu jener von klassischen Lithium-Ionen-Batterien. Jetzt fehlt nur noch eines: eine wirtschaftliche Produktionstechnik zur Massenherstellung.
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