Die Entwicklung hochleistungsfähiger Energiespeicher ist derzeit eine der größten Herausforderungen der Forschung, denn diese sind die Voraussetzung für die künftige Wirtschaftlichkeit der Elektromobilität und die Integration erneuerbarer Energien ins Energiesystem. Bei Batterien geht es darum, die Leistungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Sicherheit zu erhöhen. Am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurde nun ein völlig neuer Ansatz für die Batteriearchitektur und die verwendeten Materialien entwickelt, der enorme Verbesserungen in der gespeicherten Energiemenge und den Kosten verspricht. Der neue Ansatz könnte langfristig auch die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.
Beim heutigen Stand der Technik ist die in einer Batterie gespeicherte Energiemenge um den Faktor 50 geringer als die Energie in einem gleich großen Benzintank. „Mit herkömmlichen Lithium-Ionen Batteriematerialien sind heute nur noch geringe Verbesserungen zu erwarten“, so Dr. Maximilian Fichtner der die Gruppe Energiespeicherung am Institut für Nanotechnologie des KIT leitet. Um einen wirklichen Sprung in der Leistungsfähigkeit zu erreichen, mussten daher ganz neue Wege, sowohl bei der Entwicklung der Materialien als auch bei der Batteriearchitektur, beschritten werden.
Daher setzen Fichtner und sein Team auf völlig neue Eisen--Kohlenstoff-Materialien, mit deren Hilfe sich deutlich mehr Energie auf kleinem Raum speichern lässt. Das Problem: Die bisher beschriebenen Materialien sind nicht zyklenstabil und die Speicherkapazität sinkt schnell ab, wenn die Batterie mehrmals be- und entladen wird.
Am Institut für Nanotechnologie des KIT wurde nun ein neuer Ansatz für eine Synthese von Eisen-Kohlenstoff-Speichermaterialien entwickelt. Bei dem zum Patent eingereichten Verfahren werden unterschiedliche Ausgangsmaterialien mit einem Lithiumsalz vermischt und dann gemeinsam erwärmt. Dabei bildet sich eine komplett neue Nanostruktur aus, die zusätzlich von Kohlenstoffdrähten, die ebenfalls entstehen, durchzogen ist. Dadurch entstehen nanoskalige Speichereinheiten und Leiterbahnen quasi in einem Schritt.
Eisen-Nanopartikel (Foto: INT)
Die spezifische Kapazität des neuen Materials, also die Fähigkeit, Energie zu speichern, liegt heute schon beim Doppelten der derzeitigen Batterien. „Dies ist weltweit das erste Beispiel für ein stabiles Konversionsmaterial, mit dessen Hilfe sich deutlich mehr Elektronen und Lithium auf kleinem Raum „packen“ lassen als bei herkömmlichen Verfahren“, betont Fichtner. „Die Herstellung ist einfach und kostengünstig und die hohe Kapazität der Eisen-Kohlenstoffelektrode bleibt sehr lange erhalten. Das ist ein enormer Fortschritt gegenüber den bisherigen Materialien. Gelingt es uns, das Potenzial dieses neuen Materials voll auszuschöpfen, können wir die Speicherdichte von Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor Fünf verbessern“, so Fichtner.
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.