Hämatit: Neues Material zur Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien

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optimierung-lithium-ionen-batterienMittels einer DESY-Lichtquelle wurde von einem deutsch-amerikanischen Forscherteam die innere Struktur von sogenanntem porösem Hämatit identifiziert, einem neuen Material für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Dank dünner, poröser Schichten des Mineralstoffes Hämatit können eine Vielzahl von Lithium-Ionen gespeichert werden, die auch über viele Ladezyklen so gut wie keine Kapazität verlieren. Dies stellten Wissenschaftler der Uni Gießen, des Deutschen Elektronen-Synchrotons DESY, der HRL Laboratories und der Universität von Kalifornien in Los Angeles fest. Genau diese Eigenschaften sind für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus von entscheidender Bedeutung. Die Studie kann im Fachjournal „small“ (DOI: 10.1002/smll.201001333) nachgelesen werden.

Lithium-Ionen-Batterien überzeugen mit hoher Zyklenfestigkeit und langen Lebensdauer

Lithium-Ionen-Akkus sind in der heutigen Elektronik nicht mehr wegzudenken. Sie werden heute in nahezu allen multimedialen Bereichen eingesetzt. Mit hoher Zyklenfestigkeit, ohne Memoryeffekt und einer langanhaltenden Speicherkapazität haben sie die herkömmlichen Blei-Gel-Akkus weitgehend verdrängt. Sie sind daher auch die ideale Lösung für Elektrofahrzeuge und innovative Solarstrom-Speicheranlagen. Darüber hinaus können Lithium-Batterien sehr preisgünstig hergestellt werden.

Hämatit – der Schlüssel für neue Lithium-Ionen-Batterien

Von der Universität Gießen ist eine Forschergruppe um Torsten Brezesinski unerwartet auf das Mineral Hämatit, einem Eisenoxid, als neues Batteriematerial gestoßen. Es wurden lediglich sehr dünne Schichten untersucht, die mit zahllosen winzigen Poren mit einem Durchmesser von höchstens 15 Nanometern versehen waren. Hierbei entspricht ein Nanometer lediglich einem Millionstel Millimeter. Wissenschaftler bezeichnen diese kleinen Poren auch als mesoporös. Zu den wichtigsten Eigenschaften von Lithium-Ionen-Akkus gehört die Anzahl der gespeicherten Lithium-Ionen und die Anzahl er Ladezyklen, die auch gleichzeitig die Lebensdauer einer Batterie repräsentiert. Es wurde festgestellt, dass die dünnen und porösen Hämatitschichten eine 13fach höhere Speicherkapazität aufwiesen. Auch im untersuchten Spannungsbereich konnten bessere Werte erzielt werden, als mit den herkömmlichen Materialien. Selbst nach 200 Ladezyklen konnten die Forscher noch keinen Kapazitätsverlust feststellen.

Warum erreichen mesoporäse Hämatitschichten so gute Eigenschaften?

Generell führt die Aufnahme von Lithium-Ionen in Hämatit zu Materialspannungen. In herkömmlichen Hämatit-Mikrokristallen führt dies zu irreversibler Phasenumwandlung, wodurch die Lithium-Speicherkapazität gegrenzt wird. Gleichzeitig ist hierbei eine schlechte Zyklenfestigkeit festzustellen. Die Poren-Architektur der sehr dünnen Hämatit-Schichten erlaubt jedoch dem Material, sich problemlos auszudehnen und die Spannung in der Schicht weitgehend zu kompensieren, so Brezesinski. Dies erklärt schließlich, warum die mesoporösen Hämatitschichten so viele Ladezyklen vertragen können. Ebenfalls von Vorteil ist, dass das Lithium sich direkt in die poröse Schicht hineinbewegen kann. Da ihm hierdurch das gesamte Volumen zur Verfügung steht, steigt auch die verfügbare Fläche für die Speicherung der Lithium-Ionen. Die Beweglichkeit der Ionen ist in einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie von entscheidender Bedeutung. So bewegt sich das Lithium beim Entladevorgang vom negativen zum positiven Pol und anders herum, wenn die Batterie wieder geladen wird. Brezesinski erläutert, das durch die Porenstruktur sich das Lithium wesentlich schneller in und aus dem Material bewegen kann. Eine Lithium-Ionen-Batterie aus mesoporösen Hämatit-Dünnschichten lässt sich damit auch wesentlich schneller laden.

Sehr schnelle Ladenzeiten versprechen mesoporöse Hämatit-Lithium-Ionen-Akkus

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Für die Erforschung dieser Hämatit-Dünnschichten und deren Eigenschaften haben die Forscher verschiedene Methoden benutzt. Neben der Mikroskopie und der Spektroskopie konnte erst mit der Synchrotronstrahlung im Rahmen der GISAXS-Technik über eine DESY-Synchrotronlichtquelle DORIS die innere Struktur der Hämatit-Dünnschichten untersucht werden. Jan Perlich, DESY-Forscher, teilte mit, dass mittels Mikroskoptechniken lediglich die Oberfläche beobachtet werden konnte. Nur mit GISAXS kann man in das Innere hineinblicken. Dadurch ließ sich auch bestätigen, dass sich die auf der Oberfläche befindlichen Poren auch im Inneren der Schicht vorhanden waren.

Eine vielversprechende Entwicklung im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien

Nicht nur aufgrund der niedrigen Produktionskosten von Eisenoxid-basiertem Material, sondern auch mit den neu entdeckten Eigenschaften von mesoporösen Hämatitschichten lassen sich zukünftig vielversprechende Lithium-Ionen-Speicher entwickeln, die eine hohe Zyklenfestigkeit und hohe Speicherkapazität aufweisen.

Bildquelle: © Oliver Haja / pixelio – www.pixelio.de

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