Es gibt eine neue, spannende Entwicklung aus dem Akku-Bereich. Forscher der School of Engineering and Applied Sciences an der renommierten Harvard University haben eine Feststoffzelle vorgestellt, die sich künftig binnen Minuten aufladen lassen können und extrem lange halten soll. Aber Achtung: Es handelt sich noch um eine relativ frühe Entwicklung, die zumindest ein paar Jahre von einer etwaigen Marktreife entfernt ist.

Schon länger beschäftigt sich das Team von Xin Li, der auch führender Autor des zu dieser Erfindung gehörigen Papers in "Nature Materials" ist, mit der Optimierung von Ladevorgängen in Lithium-Akkus. Konkret geht es dabei darum, wie Lithium-Ionen sich beim Aufladen an der Anode ablagern. Ist deren Oberfläche nämlich nicht glatt, entstehen beim sogenannten "Plating" inhomogene Anhäufungen, die sich beim Entladen nicht ganz ablösen und bei späteren Ladevorgängen weiter wachsen. So formen sich Dendriten, wurzelartige Metallstrukturen, die in das Elektrolyt hineinwachsen.

Diese Dendriten verlangsamen nicht nur den Lade- und Entladevorgang, sondern mindern die Kapazität und können auch die Barriere zwischen Anode und Kathode durchstoßen. Im günstigsten Fall sorgt das für einen Kurzschluss und Unbenutzbarkeit des Akkus, im schlimmsten Fall entsteht durch die Folgereaktion ein Brand. Nachdem die Forscher in vorherigen Anläufen die Dendritenbildung verlangsamen und auf bestimmte Bereich einschränken konnten, haben sie nun eine Möglichkeit entdeckt, sie gänzlich zu verhindern.

Silizium sorgt für Pralineneffekt

Sie nutzen hierzu mikrometergroße Siliziumpartikel als Anode, die den Lithiierungsprozess einengen und so ein gleichmäßiges Plating ermöglichen. Die Lithium-Ionen heften sich nur an die äußere Schicht des Siliziums, die nicht durchstoßen wird. Dieser Prozess ist so nur in einem Akku mit festem Elektrolyt möglich, in einem flüssigen Elektrolyt, wie es in heutigen Lithium-Ionen-Akkus genutzt wird, würden die Siliziumteilchen zerstört werden. "In unserem Design wird das Lithium um das Siliziumteilchen gehüllt wie eine harte Schale aus Schokolade um einen Haselnusskern in einer Praline", erläutert Li.

So entsteht eine homogene Oberfläche mit gleichmäßigem Elektrizitätsfluss. Neben der Vermeidung von Dendriten hat dies auch den Vorteil, dass eine wesentlich schnellere Ladung und Entladung möglich ist. Zum Test ihres Prinzips bauten die Wissenschafter einen Protoyp in Form einer briefmarkengroßen Pouchzelle. Diese ließ sich nicht nur schnell aufladen, sondern besaß nach 6.000 Ladezyklen noch 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Zum Vergleich: Gängige Handyakkus halten von einigen hundert bis zu 2.000 Ladezyklen aus, ehe sie nicht mehr benutzbar sind. Schon davor nimmt die effektive Kapazität aber erheblich ab.

Li und drei Harvard-Absolventen haben die Technologie mittlerweile von der Universität lizenziert. Mit ihrem Unternehmen Adden Energy, einem Spin-off der School of Engineering, hat man den Akku bereits auf das Format eines Smartphone-Akkus skaliert. Zudem hat man per Simulation eine Reihe anderer anorganischer Materialien identifiziert, die anstelle des Siliziums genutzt werden könnten und ähnliche Ergebnisse erzielen sollten. (gpi, 16.1.2024)