Nobelpreis

Ohne diese Forscher würden Elektroautos keinen Meter fahren

Hersteller von Elektroautos sind auf das leichteste aller festen Elemente angewiesen, durch das ihre Fahrzeuge erst bewegt werden. Drei Forscher aus unterschiedlichen Teilen der Welt waren an der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie maßgeblich beteiligt und werden nun mit dem Nobelpreis geehrt. Warum bei Lithium-Ionen-Akkus noch Luft nach oben ist und sich die Batteriekapazität sogar verdoppeln soll, erfahren Sie hier.

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Mittlerweile ist der Japaner Akira Yoshino 71 Jahre alt, der Brite Stanley Whittingham 77 und der US-Amerikaner John Goodenough unglaubliche 97(!). In hohem Alter werden die drei Herren nun für ihre wissenschaftlichen Leistungen geehrt und erhalten den Chemie-Nobelpreis, teilte die Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften heute in Stockholm mit. Ohne das wissenschaftliche Schaffen von Yoshino, Whittingham und Goodenough würde die Welt mit Sicherheit anders aussehen. Tatsächlich wären wir nicht annähernd so mobil, wie wir es heute sind.

Smartphones, Laptops und die Elektromobilität wären ein Ding der Unmöglichkeit, denn die drei Wissenschaftler trugen maßgeblich zur Erfindung der Lithium-Ionen-Batterie bei. Dieser Batterietyp hat die Welt der Elektronik revolutioniert. Nicht nur waren die Batterien dieses Typs wesentlich leichter als ihre Vorgänger, sie konnten erstmals auch viele Male geladen und entladen werden. Eine Eigenschaft, die für einen komfortablen Betrieb von E-Autos unverzichtbar ist. 

Dabei bauen die Beiträge der drei Nobelpreisträger aufeinander auf. Whittingham entwickelte in den 1970er Jahren die erste funktionsfähige Lithium-Batterie, die allerdings noch anfällig für Explosionen war. Goodenough entwickelte 1980 wesentlich leistungsstärkere Batterien durch die Verwendung von Lithiumcobaltoxid (LCO) und Yoshino schuf 1985 das erste kommerziell verwertbare Produkt. 1991 kam die Li-Ionen-Batterie auf den Markt.

Elektroautos waren auf Blei-Akkus angewiesen

Eigentlich sind Elektroautos bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts - noch vor den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren - im Einsatz. Als erstes vierrädriges Elektrofahrzeug, das in Deutschland hergestellt worden ist, gilt der Flocken Elektrowagen, der 1888 in Coburg entwickelt wurde. Das elektrische Gefährt bestandaus einem Elektroantrieb, das in eine Kutsche integriert worden war. Doch der Verbrennungsmotor konnte sich in der Masse durchsetzen, da das Stromnetz noch nicht annähernd so ausgebaut und leistungsfähig war, wie es heute der Fall ist.

Ein großes Manko stellte auch das Speichermedium dar, von Lithium-Ionen-Batterien war damals noch keine Rede. In Österreich tauchten elektrische Fahrzeuge erst nach Ende des Zweiten Weltkriegs auf. Doch die damals verwendeten giftigen Blei-Akkus kamen aufgrund ihres hohen Gewichts zunächst nur in Lastkraftwagen zum Einsatz und waren keine Alternative für Personenkraftwagen.

Zudem war der Wirkungsgrad der Blei-Batterie im Vergleich zum Kraftstofftank eines Verbrennungsmotors noch nicht überzeugend. Mitte des 20. Jahrhunderts verschwand das E-Fahrzeug wieder in der Schublade. Erst in den 1970er Jahren setzte dann wieder eine erste Welle ein. Die Klimadebatte brachte schlussendlich den Befreiungsschlag für die Elektromobilität und setzte das Thema ganz oben auf die Agenda.

Elastische Nano-Schichten für bessere Akkus

Die Entwicklung der E-Mobilität geht mit der Entwicklung der Batterietechnologie Hand in Hand. Lange Zeit konnten E-Autos nicht an Fahrt gewinnen, weil die Reichweite und Belastbarkeit der Batterien, die Hoffnungen der Hersteller und Kunden nicht erfüllte. So kam es schnell wieder zu einer Senkung der Aktivitäten. Den Befreiungsschlag brachte erst die Lithium-Ionen-Batterie, an deren Verbesserung weitergearbeitet wird.   

An der TU Wien wurde nun in Zusammenarbeit mit der belgischen Universität Hasselt eine Technik entwickelt, mit der man die physikalischen Eigenschaften der Schichten genau vermessen kann. Die Messmethode ermöglicht es, die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu vergrößern. Dabei wird Graphit durch Silizium ersetzt. Jedoch muss dafür eine ultradünne Grenzschicht rund um die Elektroden analysiert und optimiert werden. Bis dato gab es dafür keine passenden Untersuchungsmethoden. 

Im Graphit bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion festgehalten werden kann. „Das ist aber nicht die effizienteste Art, Elektronen durch Lithium-Ionen zu stabilisieren“, meint Professor Markus Valtiner von der TU Wien. „Kleine Silizium-Kristalle wären eigentlich besser geeignet. Pro Silizium-Atom könnte man ein Lithium-Ion speichern, damit ließe sich die Speicherkapazität theoretisch auf das Sechsfache steigern“, so Valtiner.

Mithilfe eines Rasterkraftmikroskop wird nach passenden Elektrolyten gesucht, mit denen man die Kapazität von Li-Ionen Akkus deutlich verbessern könnte. „Optimal wäre eine elastische Grenzschicht, die keine Risse bekommt, wenn das Silizium-Körnchen wächst“, so Valtiner. Doch es gibt ein Problem: Im Gegensatz zu Graphit werden Silizium-Körnchen in einer Batterie bei der Lithiumaufnahme bis zu viermal größer und können dabei einfach zerbröseln.

© TU Wien

Nanometerdünne Schicht als Herausforderung

Man könnte sich damit helfen, das Silizium nicht vollständig zu laden, oder durch ausgeklügelte Nanostrukturen stabilere Partikel herzustellen - wenn man dabei nicht noch auf eine weitere Schwierigkeit stoßen würde. Die Elektroden-Körnchen in der Batterie sind nämlich auch noch mit einer nanometerdünnen Schicht umhüllt.

In einem Lithium-Ionen-Akku sind die Materialien in ständigem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten, in dem beim Lade- und beim Entladevorgang komplexe chemische Abbaureaktionen ablaufen. Und so bildet sich an der Oberfläche der Elektroden immer ein dünner Film aus ionenleitfähigen Abbauprodukten. Auf Graphit ist diese Schicht - ähnlich einer Passivschicht auf Edelstahl - nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter.

„Doch wenn man Silizium-Körnchen verwendet, die ihr Volumen drastisch vergrößern, reißt diese dünne Grenzschicht immer wieder auf, an den Rissen bildet sich eine neue Schicht“, erklärt Valtiner. Damit wird bei jedem Ladezyklus ein wenig Elektrolyt aufgebraucht, und das führt zu einer unerwünscht kürzeren Lebensdauer des Akkus.

Lithium-Ionen-Akkus mit reichlich Potenzial 

Die spezielle Konstruktion der TU Wien erlaubt es, Wachstum und Elastizität der Grenzschicht auf winziger Größenskala zu vermessen. Damit will das Team von Markus Valtiner nun in Zusammenarbeit mit Frank Renner von der Universität Hasselt unterschiedliche Material-Varianten untersuchen und passende Elektrolyten für Silizium-basierte Lithium-Ionen-Akkus finden.

„Die Forschung auf diesem Gebiet ist derzeit extrem spannend“, betont Valtiner. „An manchen Technologien, etwa an Verbrennungsmotoren, kann man kaum noch etwas verbessern, weil sie bereits seit Jahrzehnten optimiert werden. Doch bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es noch großes Potenzial.“

© TU Wien

Die feste oder flüssige Grenzfläche auf Graphit-Elektroden ist beim Laden oder Entladen auf Grund der geringen Volumsausdehnung stabil. Auf Silizium zerbröselt die nur wenige Nanometer dicke Schicht aufgrund der hohen Volumenänderung und geringen Flexibilität. 

Eine Steigerung der Batteriekapazitäten um das Doppelte hält Markus Valtiner jedenfalls für realistisch. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass mit siliziumbasierten Akkus um 15 bis 50 Prozent höhere Speicherdichten erreicht werden können. Erste Markeinführungen dieser Technologie sind in den nächsten 3-5 Jahren zu erwarten. 

Europa darf bei Batteriefertigung nicht schlafen

Hersteller von Elektroautos sind auf das leichteste aller festen Elemente - Lithium - angewiesen. Lithium-Ionen-Batterien können große Mengen an Solar- und Windenergie speichern und machten so eine Welt frei von fossilen Kraftstoffen möglich, teilte die Königlich-Schwedische Akademie mit. Gegenüber der „WirschaftsWoche“ fand Chemie-Nobelpreisträger Yoshino Akira im letzten Jahr harsche Worte: „Wenn Europa auch in kommenden Jahrzehnten noch Autos verkaufen will, sollte es jetzt mit der Batteriezellenfertigung anfangen.“

Mittlerweile werden Batteriezellfabriken auf europäischem Boden gebaut, wobei der Großteil an Lithium-Ionen-Batterien wohl immer noch aus dem asiatischen Raum bezogen wird. Mit einem drastischen Preisfall rechnet Yoshino in Zukunft nicht: „Akkus werden trotz aller technischen Fortschritte immer eine relativ teure Technologie bleiben.“ Dies liege an aufwendigen Produktionsverfahren und teuren Rohstoffen wie Nickel und Kobalt. „Der Verkaufspreis von Elektro-Pkw wird auch in einigen Jahren im Durchschnitt nicht unter dem vergleichbarer konventioneller Autos liegen“, sagte der Forscher.

https://youtu.be/gnMYVyDcrwE

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