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Aufladung von neuem Super-Akku so schnell wie Tanken

Die Zukunft von Batterien für E-Autos soll in schwarzem Phosphor liegen. Chinesische und amerikanische Ingenieure haben nun erfolgreich die ersten Batteriezellen aus dem Material herstellen können. Die neue Technologie soll nicht weniger als der „heilige Gral“ der Akkus sein.

An der University of Science and Technology of China (USTC) haben Ingenieure und Wissenschaftlicher laut eigenen Angaben einen wichtigen Schritt gemacht, um den „heiligen Gral“ der Batterien zu finden. Ihnen ist ein Erfolg beim Bau von Batteriezellen mithilfe von schwarzem Phosphor und Graphit als Elektrodenmaterialien gelungen.

Mit den neuen Super-Batterien sollen Elektroautos zukünftig in nur 10 Minuten um 500 Kilometer Reichweite aufgeladen werden können, wie die Forscher der Universität gegenüber der Online-Zeitung The Independent erklärten. Die hergestellten Batteriezellen überzeugen mit hoher Energiedichte, Aufladerate und Lebensdauer. Professor Hengxing Ji von der der USTC betont, dass das von ihnen ausgewählte Elektrodenmaterial nicht nur im Labor eine hohe Leistung bringt, sondern auch industriellen Produktionstechniken standhalten kann.

Schwarzer Phosphor schon länger ein Thema

Es ist kein Geheimnis mehr, dass schwarzer Phosphor ideale Eigenschaften mit sich bringt. So wie auch Graphit, das aktuell in den Elektroden der meisten Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, besteht schwarzer Phosphor aus mehreren Schichten – wobei es bei Phosphor nochmal deutlich mehr Schichten sind als bei Graphit. Dadurch kann das Elektrodenmaterial mit einer höheren Anzahl von Lithium-Atomen reagieren. Außerdem können die Lithium-Ionen einfacher in die Struktur hinein und aus dieser heraus gelangen, da die Schichten des schwarzen Phosphors nicht flach, sondern in Winkeln angelegt sind.

Trotz der optimalen Eigenschaften gab es immer wieder Schwierigkeiten bei der Arbeit mit dem Material, dessen Ränder chemisch mit den Lithium-Ionen reagierten. Dadurch wurden einige Kanäle verschlossen. Außerdem dehnt sich schwarzer Phosphor, wie auch andere Materialen, beim Hindurchwandern der Lithium-Ionen aus. Das kann zu einem strukturellen Versagen beim Entladen und Aufladen führen. Glaubt man den Aussagen der USTC-Wissenschaftler, konnte diese das Problem aber mittlerweile beheben.

Schwarzer Phosphor und Graphit

Um die chemische Reaktion am Rand der Phosphorplatten zu vermeiden, haben die Wissenschaftler Graphit und schwarzen Phosphor gemischt. Dadurch können die Atome am Rand Bindungen mit Kohlenstoffatomen eingehen. Auch wenn Graphit nicht so effektiv ist wie ein Kohlenstoffspeichermedium, sind sie trotzdem noch gut genug für die Batterie. Der Anteil von Graphit wurde auf 15 Prozent begrenzt, sodass der schwarze Phosphor mit seinen positiven Eigenschaften immer noch den größten Teil der Lithiumspeicherung übernimmt.

Das Material wurde außerdem mit einem dünnen und von flüssigen Elektrolyten durchtränkten Polymergel beschichtet. Auf diese Weise kann die Elektrode selbst dann noch mit einem Festelektrolyt in Wechselwirkungen treten, wenn es durch den Lithiumionen-Einstrom ausgedehnt und verschoben wird. Da die Chemikalien, die sich durch den Zusammenbruch anderer Materialen der Batterie gebildet haben, dank der Beschichtung ausgeschlossen werden konnten, bescheinigten die durchgeführten Tests auch eine verbesserte Lebensdauer. Nach 2.000 Ladezyklen wies die Batteriezelle eine zehnmal höhere Kapazität als Akkus ohne Polymerbeschichtung auf.

Nur 10 Minuten Ladezeit für 80 Prozent Aufladung

Doch damit nicht genug: Neben der verlängerten Lebensdauer überzeugen die neuen Zellen auch mit einer sehr kurzen Ladezeit. Bei einer skalierbaren, industriellen Produktion ist laut Professor Xin ein Lithium-Ionen-Akku mit einer Energiedichte von über 350 Wattstunden pro Kilogramm realistisch. Das Forschungsteam konnte die beeindruckenden Ergebnisse nicht nur an einer einzelnen Elektrode erzielen, sondern auch an einer kompletten Batterie, deren Leistungsfähigkeit sich nur unwesentlich von der Einzelelektrode unterschied.

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