Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben die Leistungsfähigkeit einer auf Lithium basierenden Batterie optimiert. Mit ihrer Methode erreichten sie eine um zwei Größenordnungen höhere Entladungsrate als bei gewöhnlichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Verwendung könnte die neue Technik zum Beispiel in Elektroautos finden, aber auch in kleineren und leichteren Akkus für Mobiltelefone und andere Geräte.

Die beiden Wissenschaftler verwendeten Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) als Kathodenmaterial. Damit ausgestattete Speicherzellen hatten sich bereits in der Vergangenheit durch relativ schnelle Entladungsraten ausgezeichnet und gelten als Nachfolger des gewöhnlichen Lithiumionen-Akkumulators. Kang und Ceder beschichteten das Material nun mit einer zu LiFePO4 ähnlichen Verbindung, die ein leichtes Defizit an Eisen, Phosphor und Sauerstoff aufwies. Nach Erhitzen bildete sich daraus eine glasartige Beschichtung, welche die Mobilität der Lithium-Ionen verstärkt.

Auf diese Weise erreichten die Forscher ein vollständiges Auf- beziehungsweise Entladen der Batterie innerhalb kurzer Zeit. Ein Mobiltelefon wäre ihnen zufolge innerhalb von nur zehn Sekunden aufgeladen. Die Ladegeschwindigkeit von Elektroautos könnte hingegen durch die verfügbare Netzleistung begrenzt werden, weshalb sie eine Dauer von rund fünf Minuten dafür veranschlagen. In zwei bis drei Jahren sehen Kang und Ceder ihre Arbeit marktreif.

LiFePO4 besitzt von Natur aus wünschenswerte Eigenschaften, wie etwa thermische Stabilität, jedoch keine besonders gute elektrische Leitfähigkeit – sowohl für Elektronen als auch für Lithiumionen. Inzwischen wurden zahlreiche Methoden entwickelt, um deren Transport innerhalb des Materials und an dessen Oberfläche zu verbessern. Beispielsweise mittels eines Überzugs aus Kohlenstoff oder einer Metallschicht, aber auch durch eine Dotierung mit Fremdatomen.

Herkömmliche Lithium-Akkus können zwar viel Energie pro Volumen speichern, besitzen aber in der Regel eine geringe Leistungsdichte. Das bedeutet, dass sie relativ lange Zeit benötigen, um die gespeicherte Energie wieder abzugeben. Die neue Technik von Kang und Ceder ähnelt wegen seiner Energie- und Leistungsdichte sowie der schnellen Entladung mehr einem Superkondensator. (mp)

Kang B., Ceder, G.: Battery materials for ultrafast charging and discharging. In: Nature 458 S. 190-193, 2009.