Nah dran an weit weg

Der große Traum von sauberen Autos rückt näher. Erste Modelle mit reinem Elektro­antrieb haben Automobilhersteller bereits am Markt positioniert. Doch noch erlauben die Batterien keine langen Fahrten. Das will die Technische Fakultät ändern.

Elektroautos waren der große Renner auf der Internationalen Automobilmesse in Frankfurt. Doch alle neuen umweltfreundlichen Modelle haben etwas gemeinsam: Die Reichweite der Fahrzeuge ist durch die geringe Ladekapazität der Batterien sehr eingeschränkt. Oft kommen die Autos nicht über 150 Kilometer hinaus. Das macht sie nur für den Stadt- und Regionalverkehr attraktiv.

Am Institut für Materialwissenschaft ist momentan eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Professor Helmut Föll dabei, die Batterie der Zukunft mitzuentwickeln. Den Rahmen dafür liefert das Forschungsprojekt AlkaSu- Si, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt wird. Ziel ist es, eine Batterie aus Alkalimetall, Schwefel und Silizium (AlkaSuSi) zu entwickeln, die eine höhere Kapazität hat als bisher vorhandene Lithium-Ionen-Akkus.

Beim Be- und Entladen der Autobatterien sind es Lithium-Ionen, die sich zwischen den negativen und positiven Elektroden hin und her bewegen. Wird ein solcher Akku geladen, bewegen sich die positiv geladenen Teilchen von der Kathode, die zumeist aus Metalloxiden besteht, zur Anode, die aus Graphit besteht. Es ist das bisher am häufigsten verwendete Anodenmaterial in kommerziell erhältlichen Lithium-Akkus. Beim Entladen nehmen die Teilchen den umgekehrten Weg. Dabei hängt die Gesamtenergie der Batterie davon ab, wie viele Lithium-Ionen die Anode und die Kathode aufnehmen können.

Das Kieler Team setzt statt auf Graphit auf Nanodrähte aus Silizium. »Man kann in Silizium elfmal mehr Lithium speichern als in Graphit«, erklärt Professor Helmut Föll. Eine funktionsfähige Batterie mit Silizium könne so in der marktreifen Version die zwei- bis dreifache Kapazität von bisher üblichen Autobatterien besitzen.

Das Geheimnis der in Kiel entwickelten Anode sind Silizium-Nanodrähte. »Diese Drähte sind gerade mal 75 Mikrometer hoch und haben einen Durchmesser von einem Mikrometer«, erläutert Projektkoordinator Dr. Enrique Quiroga- González. Auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter befinden sich damit über zehn Millionen Nanodrähte. Diese sind in der Lage, sich stabil um das Vierfache zu vergrößern und damit mehr Lithium-Ionen Platz zu bieten. Das war zuvor nicht möglich.

Die zündende Idee der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind Stabilisierungsebenen. Sie verhindern das Zusammenkleben der Drähte und ermöglichen es, sie elektrisch zu kontaktieren. »Dafür bringen wir eine Kupferschicht am Kopf des Draht-Waldes ein«, erzählt Föll. Anschließend werden die Drähte vom überschüssigen Silizium getrennt, das nun zur Herstellung neuer Drähte verwendet werden kann. So entsteht eine Silizium-Anode, die sehr hohe Kapazitäten erreicht und über 60 Ladezyklen übersteht. Der gesamte Prozess sei einfach, kostengünstig und relativ schnell. »Mit dieser Lösung könnten wir in die Massenproduktion gehen. Leider ist die Entwicklung der Kathode noch nicht ganz so weit«, meint Föll. Doch dafür sind die Institute der Fraunhofer Gesellschaft zuständig.

Ralf Johanning

Am Forschungsprojekt AlkaSuSi sind die Fraunhofer Institute für Chemische Technologie ICT sowie für Werkstoff- und Strahltechnik IWS als auch die Technische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel beteiligt. Schott und Bayer Technology Services sind assoziierte Partner aus der Industrie.

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