Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus

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Lithium-Ionen-Akkus sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Trotzdem haben sie einige Nachteile, etwa ihre langen Ladezeiten und ihre Entflammbarkeit. Russische Forscher haben jetzt ein neues Batteriematerial als Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus präsentiert. Es ermöglicht zehnmal so schnelles Laden und funktioniert auch bei niedrigen Temperaturen.

Das kann die neue Batterie

Oleg Levin ist Professor für Elektrochemie an der Universität St. Petersburg und Leiter eines Forschungsteams. Das Team beschäftigt sich mit redoxaktiven nitroxylhaltigen Polymeren als Material für elektrochemische Batteriespeicher. Diese Polymere haben eine hohe Energiedichte und glänzen mit einem hohen Lade- und Entladetempo. Konkret lassen sie sich zehnmal so schnell laden wie aktuelle Lithium-Ionen-Batterien.

Die neue Batterie funktioniert auch bei niedrigen Temperaturen, was bei Lithium-Ionen-Akkus ebenfalls ein Problem ist. Außerdem ist die Brandgefahr der neuen Akkus sehr viel geringer, und sie enthalten deutlich weniger umweltschädliche Metalle. Allerdings haben sie einen gravierenden Nachteil, und das ist ihre Kapazität. Sie liegt noch 30 bis 40 Prozent unter der von Lithium-Ionen-Batterien. Aktuell sind die Forscher in St. Petersburg dabei, dieses Problem zu lösen, ohne dass die Ladegeschwindigkeit darunter leidet.

Nickel-Salen-Komplex als vielversprechendes Material

Solche Polymere, wie sie jetzt in der neuen Batterie zum Einsatz kommen, sind schon länger bekannt, doch ihre nicht ausreichende elektrische Leitfähigkeit war ein Problem. Sie wurden bisher nicht in Akkus verwendet, weil ihre Leitfähigkeit selbst mit Zusätzen wie Graphit unzureichend ist. Levin und sein Team untersuchten verschiedene Materialkombinationen, bis sie auf ein besonders aussichtsreiches Polymer stießen, einen Nickel-Salen-Komplex.

Dieses Metallpolymer verfügt über Moleküle, die ihre Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich kaum ändern. Salen ist eine Verbindung aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die Nickel-Ionen wie eine Krebsschere in die Zange nimmt. Nickel-Salen-Komplexe können als Schutzschicht für das Hauptleiterkabel an den Elektroden von Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden. Sie können aber auch als aktive Komponente direkt zur Energiespeicherung genutzt werden, und das ist der eigentliche Durchbruch. Sie haben ein stabiles freies Radikal, das zur schnellen Oxidation und Reduktion beim Laden und Entladen in der Lage ist.

Das Team suchte drei Jahre lang nach dem besten Polymer

Drei Jahre lang haben die Wissenschaftler an ihrem neuen Material gearbeitet. Zunächst suchten sie am Computer nach den besten Verbindungen, indem sie verschiedene Komponenten in Simulationen kombinierten. Erst dann ging es ins Labor, wo das Team unzählige Verbindungen synthetisierte. Am Ende erwies sich der Nickel-Salen-Komplex als stabil genug für den Einsatz in elektrochemischen Zellen.

Die Wissenschaftler stellten eine Kathode aus dem neuen Polymer her, also die positive Elektrode in der Batterie. Die Anode, die negative Elektrode, musste nicht neu erfunden werden, sondern besteht aus bekannten Materialien. Die fertige Batterie kann in einigen Bereichen bald Lithium-Ionen-Akkus ersetzen, wie die Forscher hoffen. Voraussetzung ist, dass sie es schaffen, die Batteriekapazität zu erhöhen, und dass die Batterie den Sprung aus dem Labor in die Praxis schafft.

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