Hybride Anoden aus Indium und Lithium könnten dafür sorgen, dass den Verbrauchern zukünftig bessere Akkus zur Verfügung stehen. Die Anoden würden für einen raschen Grenzflächentransport der Ionen sorgen, teilt Lynden Archer von der Cornell Universität aus den USA mit. Publiziert wurde das Forschungsergebnis bisher in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.
Die neuartigen Elektroden sollen aus Lithium bestehen und mit Indium beschichtet sein. Dies könnte den Startschuss für Akkus sein, die noch leistungsfähiger und langlebiger sind als die bisherigen. Durch die neuartigen Beschichtungen sollen unerwünschte Nebenwirkungen der Elektrode mit Elektrolyten verhindert werden. Es soll eine gleichmäßige Abscheidung des Lithiums während einer Aufladung stattfinden. Zugleich wird die Einlagerung in der Anode durch die Reaktionen zwischen dem Lithium und dem Indium erhöht. Das Geheimnis des Erfolgs ist eine gute Diffusion der Lithiumionen an der Grenzschicht.
Worin genau besteht die Verbesserung?
Die heutigen Lithiumionenakkus sind mit Anoden gebaut, die aus Grafit bestehen, einem Nichtmetall. Sie lagern bei der Ladung des Akkus Lithium ein. Metallische Anoden dagegen, beispielsweise aus Lithiummetall, könnten hierzu eine attraktive Alternative sein, weil man sich von ihnen eine wesentlich höhere Speicherkapazität erwarten kann.
Weshalb sind solche Akkus noch nicht im Einsatz?
Ein entscheidender Grund dafür ist, dass die Abscheidung des Metalls, die während eines Ladevorgangs stattfindet, durch Ungleichmäßigkeit zu Verästelungen (Dendriten) führt. Diese wachsen nach einigen Aufladungen so stark an, dass der Akku kurzgeschlossen wird. Außerdem wird die Gebrauchsdauer des Akkus durch Nebenreaktionen zwischen Metallelektroden und Elektrolyten beeinträchtigt. Die Lösung bestünde darin, dass eine stabile passivierende Schicht gebildet wird, die weiteren Kontakt verhindert. Das funktioniert jedoch nicht, da die Elektrode während der Lade- und Entladezyklen kontrahiert und expandiert. Dadurch würde die Schicht zerstört und damit wirkungslos. Das Metall wäre dem Elektrolyten wieder ausgesetzt. Eine weitere Möglichkeit des Schutzes besteht in künstlichen Beschichtungen. Auch physikalische Barrieren wären denkbar.
Die Entdeckung aus den USA
Forscher um Ravishankar Sundararaman des Rensselaer polytechnischen Instituts in Troy (USA) und Lynden Archer von der Cornell Universität aus Ithaca (USA) stellen jetzt eine Alternative vor. Sie erzeugen mittels einer stromlosen Ionenaustauschchemie Beschichtungen des Lithiums aus Indium. Es reicht hierfür ein Eintauchen in eine spezielle Lösung aus Indiumsalz. Das Indium lagert sich dann wie eine Metallschicht an der Oberfläche der Elektrode ab. Die Konzentration des Lithiums in den Elektrolyten wird entsprechend erhöht. Es entsteht eine gleichmäßige Schicht aus Indium, die bei Gebrauch selbsterneuernd wirkt, sobald eine kleine Menge Indiumsalz dem Elektrolyten zugefügt wird. Während der Ladungs- und Entladungszyklen bleibt sie heil und ihre chemische Zusammensetzung bleibt unverändert. Nebenreaktionen können so vermieden werden. Sogar die Verästelungen (Dendriten) entstehen nicht mehr. Die Oberfläche bleibt geschlossen. Die Forscher zeigten an Modellrechnungen, den Grund für die gute Funktionsfähigkeit ihrer Methode: Lithiumionen sind äußerst lose an die Beschichtung aus Indium gebunden. Sie gehen mit dem Indium eine Legierung ein, wodurch sie sich äußerst schnell an der Schicht entlang bewegen können, bevor sie die Schicht durchziehen und sich an der Lithiumelektrode ablagern. In Zellen mit herkömmlichen Kathoden haben die neuartigen Hybridelektroden aus Indium und Lithium mehr als 250 Ladezyklen stabil gearbeitet, die Kapazität blieb dabei zu 90 % erhalten.
Wie man der vorgenannten Studie des Rensselaer Polytechnic Institute schließen kann, ist die neuartige Technologie sehr zukunftsträchtig und wird dazu führen, dass Indium eine noch höheren Bedeutung in der Technologie erreichen wird.