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Elektrodenmaterial Schweizer Forscher entwickeln Elektrodenmaterial auf Glasbasis

| Autor / Redakteur: Peter Rüegg / Manja Wühr

Chemiker und Materialforscher der ETH Zürich haben ein Elektrodenmaterial, das die Kapazität und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen kann.

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Vanadat-Borat-Glas - entwickelt an der ETH Zürich - könnte die Leistung von Lithium-Ionen-Baterie deutlich erhöhen.
Vanadat-Borat-Glas - entwickelt an der ETH Zürich - könnte die Leistung von Lithium-Ionen-Baterie deutlich erhöhen.
(Bild: ETH Zürich/Peter Rüegg)

Zürich – ETH-Wissenschaftler unter der Leitung von Semih Afyon und des emeritierten Chemieprofessors Reinhard Nesper haben in mehrjähriger Forschungsarbeit ein Material entdeckt, das die Batterieleistung verdoppeln könnte. Dabei handelt es sich um ein Vanadat-Borat-Glas, das die Forscher als Kathodenmaterial verwenden. Das Material besteht aus Vorläufersubstanzen von Vanadiumpentoxid (V2O5) und Lithium-Borat (LiBO2), das zudem mit reduziertem Graphitoxid (RGO) beschichtet wurde, das die Leistung des Materials als Elektrode verbessert.

Die Forscher verwendeten eine vanadiumbasierte Verbindung, weil es von Vanadium zahlreiche Oxidationsstufen gibt. Vanadiumpentoxid beispielsweise kann in kristalliner Form drei positiv geladene Lithium-Ionen aufnehmen – dreimal mehr als Lithium-Eisen-Phosphat, das in heutigen Kathoden verwendet wird.

Glaspartikel statt Kristalle

Allerdings kann kristallines Vanadiumpentoxid nicht alle der eingelagerten Lithium-Ionen freigeben und es lässt nur wenige stabile Lade-Entlade-Zyklen zu. Denn beim Laden dringen die Lithium-Ionen in das Kristallgitter ein, sodass die Elektrodenpartikel insgesamt anschwellen, nur um zu schrumpfen, sobald die Ionen die Partikel verlassen. Dies kann dazu führen, dass sich die Struktur des Elektrodenmaterials verändert und Kontakte verloren gehen.

Die Forscher mussten deshalb eine Lösung dafür finden, damit das Elektrodenmaterial bei maximierter Kapazität seine Struktur beibehält. So kamen sie auf die Idee, statt einer kristallinen Form ein Vanadium-„Glas“ zu verwenden. Glas hat eine amorphe Struktur, in der sich die Atome nicht wie in einem Kristall in einem regelmäßigen Gitter anordnen, sondern in einem wilden Durcheinander.

Einfache Produktion

Um das Material für die Batteriekathode herzustellen, vermengten die Wissenschaftler pulverförmiges Vanadiumpentoxid mit glasbildenden Boraten. „Das aus dieser Mischung resultierende Glas ist ein neuartiges Material, im Endeffekt also weder Vanadiumpentoxid noch Lithium-Borat“ sagt der Forscher. Vanadium (V5+) sei dennoch der aktive Stoff, der die Lithium-Ionen beim Entladen der Batterie aufnehme.

Die Forscher schmolzen das Pulver bei 900 °C und kühlten die Schmelze so rasch als möglich ab. Dabei entstanden hauchdünne Glasplättchen, welche vor ihrer Verwendung wieder zu Pulver zerstoßen wurden, um die Oberfläche zu vergrößern und Porenraum zu schaffen. „Ein großer Vorteil des Vanadat-Borat-Glases ist seine einfache und kostengünstige Herstellung“, betont Afyon. Das erhöhe die Chancen für eine industrielle Anwendung.

Um eine leistungsfähige Elektrode zu erzeugen, beschichtete der Forscher das Vanadat-Borat-Pulver zudem mit reduziertem Graphitoxid (RGO). Dieses erhöht einerseits die Leitfähigkeit und schützt andererseits die Elektrodenpartikel. Es behindert die Elektronen und Lithium-Ionen bei ihrem Transport durch die Elektrode jedoch nicht. Aus dem neuen Material gestaltete Afyon schließlich die Kathode, die er in Prototypen von Knopfzellenbatterien einsetzte.

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