Akku-Forschung Ultraschallgerät verbessert Ladezeit und Lebensdauer von Lithium-Batterien

Lithium-Batterien können mindestens doppelt so viel Strom speichern wie herkömmliche Akkus, doch ihre Haltbarkeit ist gering. Forscher haben die Technik nun mithilfe eines winzigen Bauteils verbessert.
Winziges Ultraschallgerät: Die Wellen schwingen 100 Millionen bis 10 Milliarden Mal pro Sekunde

Winziges Ultraschallgerät: Die Wellen schwingen 100 Millionen bis 10 Milliarden Mal pro Sekunde

Foto: David Baillot/University of California San Diego

Ohne Akkus gäbe es keine Smartphones, Laptops und Elektroautos. Die Vorstellung, Deutschland eines Tages nur noch mit Strom aus Windrädern und Solaranlagen zu versorgen, ließe sich nicht umsetzen. Dafür braucht es Energiespeicher, die für nachts und für windstille Zeiten Ladungen speichern. Wie wichtig Akkus sind und künftig sein werden, zeigt auch die Tatsache, dass der Nobelpreis für Chemie zuletzt an die Erfinder von Lithium-Ionen-Akkus ging.

Doch so gut die Zellen bereits funktionieren: Es gibt noch einige Schwachstellen. Forscher arbeiten daran, die Haltbarkeit, Kapazität und Ladedauer von Akkus zu verbessern, damit Elektroautos nach kürzerem Aufladen längere Strecken zurücklegen und Batteriespeicher mehr Energie aufnehmen können. Auch würden bessere Akkus die Lebenszeit von Handys verlängern.

James Friend und Kollegen von der University of California San Diego sind in dem Bereich nun mithilfe von Ultraschallwellen einen Schritt vorangekommen. Getestet haben sie ihre Idee in handelsüblichen Lithium-Metall-Batterien, die man etwa als Knopfzellen in Armbanduhren kennt.

Die Batterien können bei gleicher Masse doppelt so viel Ladung speichern wie eine Lithium-Ionen-Batterie - allerdings lassen sie sich bislang nicht wieder aufladen und haben eine vergleichsweise kurze Lebensdauer. Ihr Pluspol, die Anode, besteht aus metallischem Lithium, einem extrem reaktionsfreudigen Material. Beim Laden lagern sich dort spitze Kristalle ab, sogenannte Dendriten, die die Leistungsfähigkeit der Batterie verringern, Kurzschlüsse und Brände verursachen können. Schnelles Aufladen beschleunigt die Ablagerungen.

Elektrolytflüssigkeit zirkuliert

Das Ultraschallgerät der Forscher kann den Effekt abschwächen. Es ist so klein, dass es sich ohne Weiteres in eine Lithium-Metall-Batterie integrieren lässt. Die Schallwellen, die es erzeugt, haben sehr hohe Frequenzen. Sie schwingen zwischen 100 Millionen und 10 Milliarden Mal pro Sekunde und lassen die Elektrolytflüssigkeit zirkulieren, die den Strom in der Batterie vom Minus- zum Pluspol leitet. Das verhindert, dass sich beim Laden spitze Kristalle am Pluspol der Batterie ansammeln und sie zerstören.

Ultraschallgerät neben einer amerikanischen Ein-Cent-Münze: Die größte Herausforderung war das kleine Design

Ultraschallgerät neben einer amerikanischen Ein-Cent-Münze: Die größte Herausforderung war das kleine Design

Foto: David Baillot/University of California San Diego

250 Mal konnten Friend und Kollegen eine mit dem Ultraschallgerät ausgestattete Lithium-Metall-Batterie aufladen. Ein Ladevorgang von 0 auf 100 Prozent dauerte gerade mal zehn Minuten. "Das Gerät ermöglicht Hochenergiebatterien und schnelles Aufladen zugleich", erklärt Friends Kollege Ping Liu.

Der Ansatz funktioniere in allen Arten von Akkus und Batterien, schreiben die Forscher im Fachmagazin "Advanced Materials" . Als sie ihr Gerät in einen Lithium-Ionen-Akku einbauten, waren sogar 2000 Ladezyklen möglich. Die geringere Kapazität ließ sich mithilfe der Neuentwicklung allerdings nicht ausgleichen.

Das Schwierigste sei es gewesen, ein geeignetes Design für das Ultraschallgerät zu finden, berichtet Erstautor An Huang. Die verwendeten Teile stammen aus der Smartphonetechnik. Damit sie in Batterien Ultraschallwellen erzeugen konnten, mussten die Forscher die Komponenten jedoch auf sehr kleinem Raum anordnen und zusammenfügen.

Die meisten Forscher legten den Fokus darauf, neue Chemikalien für bessere Batterien zu entwickeln, so die Wissenschaftler. Ihr Ansatz zeige, dass es sich auch lohnen kann, bekannte Batteriemodelle weiterzuentwickeln. Noch befindet sich das neue Gerät allerdings in der Entwicklung. Die Forscher hoffen, es eines Tages in kommerziell vertriebene Lithium-Metall-Batterien einbauen zu können.

jme
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