Wie lange die Batterie eines Smartphones oder Laptops hält, hängt davon ab, wie viele Lithiumionen im negativen Elektrodenmaterial der Batterie speicherbar sind. Enthält der Akku keine Ionen mehr, lässt sich kein elektrischer Strom zum Betreiben des jeweiligen Gerätes erzeugen und er fällt schließlich aus. Materialien mit einer höheren Lithium-Ionen-Speicherkapazität sind entweder zu schwer oder liegen in der falschen Konfiguration vor, um Graphit, das derzeit in aktuellen Batterien das Material der Wahl für Elektroden ist, zu ersetzen. Die Forscher an der Purdue Universität haben eine Methode entwickelt, wie sich diese Materialien für das Elektrodendesign verwenden lassen.

Künstlerische Darstellung einer Knopfzelle mit einer Kupferelektrode (links), die eine schwarze Nanoketten-Struktur enthält. Diese soll die Kapazität der Batterie erhöhen und die Ladezeit verkürzen.

Künstlerische Darstellung einer Knopfzelle mit einer Kupferelektrode (links), die eine schwarze Nanoketten-Struktur enthält. Diese soll die Kapazität der Batterie erhöhen und die Ladezeit verkürzen. Purdue University, Henry Hamann

Die im Journal Applied Nano Materials erschienene Studie beschreibt eine netzartige Struktur, bezeichnet als Nanokette, aus Antimon, einem Metalloid, das bekanntermaßen die Lithium-Ionen-Ladekapazität von Batterien erhöht. Die Forscher verglichen die Nanoketten-Elektroden mit Graphitelektroden und fanden heraus, dass wenn eine Knopfzelle mit der Nanoketten-Struktur nur 30 Minuten geladen wurden, sie die doppelte Lithium-Ionen-Kapazität für 100 Lade- und Entladezyklen erreicht.

Einige Arten kommerzieller Batterien verwenden bereits Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffe, die den negativen Antimon-Metallelektroden ähneln. Jedoch neigt das Material dazu, sich bei der Aufnahme von Lithiumionen auf bis das Dreifache auszudehnen. Dies führt zu einem Sicherheitsrisiko beim Aufladen dieser Batterien.
„Wir wollen diese Art der Ausdehnung so in Batterien für Mobilgeräte unterbringen, dass der Anwender kein potenzielles Sicherheitsrisiko mit sich herumträgt“, erklärt Vilas Pol, Associate Professor für Chemieingenieurwesen an der Purdue Universität.

Potenzial für Skalierbarkeit vorhanden

Durch die Anwendung eines Reduktionsmittels und eines Keimbildner verbinden die Entwickler die winzigen Antimonpartikel zu einer Nanokette, die der erforderlichen Expansion gerecht wird. Das verwendete Reduktionsmittel Ammoniak-Boran ist verantwortlich für die Schaffung der notwendigen Hohlräume, also die Poren innerhalb der Nanokette, die eine Ausdehnung ermöglcihen und dabei aber das Elektrodenversagen unterdrücken.

Dabei wurde Ammoniak-Boran auf mehere verschiedene Antimonverbindungen angewendet, wobei sich herausstellte dass nur Antimonchlorid die richtige Nanoketten-Struktur produzierte. „Unser Verfahren zur Herstellung der Nanopartikel liefert konsequent die richtigen Kettenstrukturen“, so P. V. Ramachandran, Professor für organische Chemie an der Purdue Universität. Die Nanokette hält die Lithium-Ionen-Kapazität für mindestens 100 Lade- und Entladezyklen stabil. „Es gibt im Wesentlichen keine Änderung vom ersten bis zum hundertsten Zyklus, sodass wir keinen Grund zu der Annahme haben, dass Zyklus 102 nicht derselbe sein wird“, sagt Pol.

Synthetisiert wurde die Antimon-Nanoketten-Struktur von Henry Hamann, Chemie-Absolvent an der Purdue Universtiät, während Postdoc im Chemical Engineering Jassiel Rodriguez die elektrochemische Batterieleistung des Materials testete. Das Elektrodendesign soll das Potenzial haben, für größere Batterien skalierbar zu sein. Als nächstes plant das Team, das Design in Batterien mit Pouchzellen zu testen.