MIT Neue Technik ermöglicht das Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus in Sekundenschnelle

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben einen Weg gefunden, Lithium-Ionen-Akkus so zu verbessern, dass sie in Sekundenschnelle geladen werden können und gleichzeitig kleiner und leichter werden.

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Massachusetts Institute of Technology

Dabei machten sich die Wissenschaftler unter Leitung von Gerbrand Ceder eine Entdeckung zunutze, die sie bereits vor fünf Jahren gemacht hatten: Computersimulationen hatten gezeigt, dass sich Lithium-Ionen in der bereits aus der Akku-Herstellung bekannte Materialmischung Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) extrem schnell bewegen.

Langsame Lade- und Entladevorgänge

Dieses Ergebnis machte die Forscher stutzig: Moderne Lithium-Ionen-Akkus haben zwar hohe Energiedichten und eignen sich deshalb gut für hohe Speicherkapazitäten, die Aufnahme und Abgabe von Energie geht jedoch relativ langsam. Dies hatte man bislang damit erklärt, dass sich die Ladungsträger, also Lithium-Ionen und Elektronen, nur langsam durch das Akkumaterial bewegen. „Falls der Transport der Lithium-Ionen tatsächlich so schnell ginge, wie die Simulation zeigte, musste eine andere Ursache vorliegen“, so Gerbrand Ceder.

Im Tunnel sind Lithium-Ionen deutlich schneller

Weitere Berechnungen zeigten, dass sich Lithium-Ionen tatsächlich sehr schnell im Material bewegen können — aber ausschließlich durch Tunnel, die von der Oberfläche in das Material hineinführen. Falls sich ein Lithium-Ion nun direkt vor einem dieser Tunnel befindet, gibt es kein Problem. In herkömmlichen Akkus jedoch sind diese Tunnel für die Ladungsträger nur schwer erreichbar, was ihre Bewegung deutlich bremst.

Die Akku-Ladezeit verkürzt sich auf 10 bis 20 Sekunden

Um dieses Problem zu umgehen, hat Ceder gemeinsam mit dem Wissenschaftler Byoungwoo Kang eine neue Oberflächenstruktur für Akkus entwickelt, eine glasartige Schicht, in der sich die Lithium-Ionen sehr schnell über die Oberfläche bewegen können. Sobald sie auf diesem Weg einen der Tunnel in das Material erreichen, verschwinden sie sofort darin, wie die beiden Forscher in der Märzausgabe der Zeitschrift Nature berichten.

Die Vorteile dieser neuen Technik haben sie an einem kleinen Akku bewiesen: Mit der neuen Oberfläche war er innerhalb von 10 bis 20 s geladen oder entladen; bei einem vergleichbaren herkömmlichen Akku dauerten diese Vorgänge rund sechs Minuten.

Kleinere und leichtere Akkus kommen in zwei bis drei Jahren

Laut Ceder zeigten zudem weitere Tests, dass sich das neue Material im Gegensatz zu anderen Akku-Materialien nicht so rasch rasch verbraucht, wenn es wiederholt aufgeladen und wieder entladen wird. Infolge seien kleinere und leichtere Akkus denkbar, da weniger Material benötigt würde, um die gleich Leistung zu erzielen.

„Die Fähigkeit, Akkus innerhalb von Sekunden statt innerhalb von Stunden zu laden oder zu entladen, eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten und kann die Lebensgewohnheiten der Menschen beeinflussen“, sagen Ceder und Kang. Da es sich bei dem von ihnen verwendeten Material um ein altbekanntes handelt, das sie lediglich anders verarbeiten, gehen die Forscher davon aus, dass erste Akkus mit der Technik in zwei bis drei Jahren auf dem Markt erhältlich sein werden.

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