02.09.06 Verlängerte Lebenserwartung - Eine neue Elektrode für wiederaufladbare Lithiumbatterien

Verlängerte Lebenserwartung

Eine neue Elektrode für wiederaufladbare Lithiumbatterien

Quelle: Advanced Materials

Jeder kennt die Frustration, wenn eine Batterie entladen ist: Der Laptop schaltet ab, bevor das wichtige Dokument gespeichert wurde, die Digicam gibt beim Sonnenuntergang während des Strandurlaubs den Geist auf. Schlimmer noch, wenn der mp3-Player auf einem Fünf-Stunden-Flug bereits nach 3 Minuten nicht mehr spielt.

Eine brauchbare Lösung, die Batterie-Leistung und die Lebensdauer zu verbessern, wurde von Chemikern in Grossbritannien entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden in einer der aktuellen Ausgaben von "Advanced Materials" publiziert.

Moderne, aufladbare Batterien bestehen aus Lithium-Verbindungen. Sie haben durch ihre kompakte Bauweise elektronische Geräte revolutioniert aber liefern trotzdem genügend Spannung, um Digicams, Notebooks und die allgegenwärtigen mp3-Spieler zu betreiben.

Kunden verlangen aber nicht nur geschrumpfte Geräte-Ausmasse, sondern des öftern verlängerte Laufzeiten. Zudem könnten Lithium-Akkus mit noch grösseres Leistungsfähigkeit in Elektrofahrzeugen eingebaut werden, was mit der konventionellen Technik bislang noch nicht möglich ist.

Kuthanapillil Shaju und Peter Bruce (University of St Andrews, Schottland) erklären, wie Anoden aus Lithium-Atomen und eingeschobenen Fremdatomen wie Kobalt, Nickel oder Mangan zusammen mit Sauerstoff beim Anlegen der Ladespannung, die Lithiumatome aus dem Verbund ausstossen. Beim Gebrauch der Batterie wandern die Ionen wieder in die Elektrode zurück, stossen dabei Elektronen ab und erzeugen damit einen Strom.

Die Herausforderung ist, ein neues Elektrodenmaterial herzustellen, das hohe Leistung bietet (schnelle Entladung), aber auch eine hohe Ladungsdichte. Shaju und Bruce hofften, diese Aufgaben mittels der Synthese eines neuen Verbundwerkstoffes (Li(Co_1/3 Ni_1/3 Mn_1/3)O₂) zu lösen. Als Bonus erhofften sie sich, den komplizierten Herstellungsprozess wesentlich zu vereinfachen.

Das Team von St. Andrews hat ein neues einstufiges Syntheseverfahren zu diesem interessanten Werkstoff entwickelt, das ein einfaches Mischen von Edukten beinhaltet: organische Salze der individuellen Metalle in einem Lösungsmittel. Dies steht in einem scharfen Kontrast zu den gekannten mehrstufigen Verfahren, die bislang zur Synthese dieser Verbindung verwendet wurden. Unter Gebrauch der neuen Technik wurden hoch-einheitliche, feste Lithiumoxid-haltige Werkstoffe mit regelmässig eingeschobenen Nickel-, Kobalt- und Mangan-Atomen hergestellt, die auch Poren enthalten, in die der Elektrolyt eindringen kann.

Die hochporöse Natur der neuen Materialen ist entscheidend für die elektrischen Eigenschaften. Die Poren erlauben einen grossflächigen Austausch von Ionen zwischen Oberfläche und Elektrolyt resultierend in einer schnellen Entladung und einer hohen Ladungsdichte. Der neue Werkstoff wurde in einer Prototypen-Batterie getestet und zeigte hohe Leistungswerte. Wenn die Batterie in lediglich sechs Minuten entladen wurde, hat sich die Kapazität um nur 12% verringert. Dieses Resultat legt nahe, dass sogar Hochleisungsbatterien für Fahrzeuge möglich sind. Wichtiger aber, die neuen Werkstoffe würden ein Ende entladener Akkus in mp3-Spielern mitten während eines Fluges bedeuten, vorausgesetzt, sie wurden vor dem Flug überhaupt geladen.

Im Zeichen zurückgerufener Laptop-Akkus sei ein letzter Bonus des neuen Werkstoffes erwähnt: Durch den partiellen Ersatz von Kobalt durch Mangan erhöht sich die Sicherheit gegenüber der traditionellen Lithium-Kobalt-Oxid-Elektroden vor Überhitzung.

Quelle:

Macroporous Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂: A High-Power and High-Energy Cathode for Rechargeable Lithium Batteries
K. M. Shaju, P. G. Bruce, Advanced Materials 2006, 18, 2330-2334. DOI: 10.1002/adma.200600958

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Lithium-Batterien
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2006sep/lithiumbatterien.shtm)

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