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Neue Generation der Lithiumakkus: Festkörperakkus mit Superionenleiter

  • 20.04.2016

Gemeinsame Forschungen zeigten Erfolg: am 22. März wurde in einem Artikel der Zeitschrift „Nature Energy“ die Entwicklung neuer Materialien für Festkörperakkus bekannt gegeben, die im Vergleich zu herkömmlichen Bauarten eine erheblich höhere Leistung aufweisen. Beteiligt an den Forschungen waren unter anderem ein Team des Tokyo Institute of Technology unter Leitung von Prof. Ryoji Kanno, der Autohersteller Toyota und das nationale Forschungszentrum für Hochenergiephysik KEK.

Foto: flickr, SparkFun Electronics

Festkörperakkumulatoren sind Akkus, in denen der Elektrolyt aus keramischem Material besteht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithiumakkus mit flüssigen Elektrolyten kann es hier nicht zum Auslaufen der Flüssigkeit kommen. Da auch keine Flüssigkeiten einfrieren oder sieden können, sind sie in einem großen Temperaturbereich einsetzbar. Es besteht keine Brandgefahr, und nicht zuletzt können die Abmessungen erheblich kompakter gestaltet werden. Allerdings fehlte es bisher an ausreichend leitfähigem Keramikmaterial.
Genauer gesagt sind es zwei Stoffe, die nun entwickelt wurden. Der eine ist ein Superionenleiter, der neben Lithium auch Silizium, Phosphor, Schwefel und Chlor enthält. Seine Leitfähigkeit ist mit 25 mS/cm bei 25℃ für einen Festkörper äußerst hoch. Den bisherigen Rekord hatte ein ebenfalls von einem Team um Prof. Kanno entwickeltes Material auf der Basis von Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel mit 12 - 14 mS/cm.
Der andere Stoff enthält Lithium, Phosphor und Schwefel. Seine Leitfähigkeit für Lithiumionen entspricht mit 1 mS/cm der von herkömmlichen Materialien, sein Vorteil ist jedoch eine ausgeglichene Funktionstüchtigkeit.
Detaillierte Angaben zum Einsatz der beiden neuen Keramikstoffe, zu den Materialien für Anode und Kathode und zur Konstruktion des Akkus wurden noch nicht gemacht.
Der neue Festkörperakku weist hervorragende Lade- und Entladeeigenschaften auf. Das Aufladen dauert nur wenige Minuten, seine Selbstentladung ist äußerst gering. Auch nach 1000 Lade- und Entladezyklen ist seine Leistung kaum beeinträchtigt. Die Leistungsdichte beträgt mehr als das Dreifache, die Energiedicht mehr als das Doppelte bisheriger Lithiumakkus.
Damit rückt die Lösung der gegenwärtigen Probleme bei der Speicherung von Energie einen Schritt näher. Tragbare Geräte wie Smartphones oder Tabletcomputer sind nur ein Beispiel für die Anwendung, ein weiterer Bereich sind Plug-in Hybridfahrzeuge. Nicht zuletzt für die Stromversorgung der Zukunft hofft man auf neue Speichermöglichkeiten: für die "Smart Grid" genannte Stromversorgung nach Bedarf sind große Speicherkapazitäten erforderlich. Hier könnte der neue Festkörperakku zum Schlüssel werden.

 

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