(21.12.2011)

Bei dem Elektroauto gibt es derzeit drei Punkte, welche so manchen möglichen Käufer derzeit von einem Kauf abhalten:

Die Reichweite, die unter Umständen lange Aufladezeit und der vergleichbar hohe Kaufpreis.

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Dank einer neuen Anodentechnik kann ein Elektroauto 10 mal weiter fahren
(Harold H. Kung. Bildquelle: Northwestern University)
An den ersten beiden Punkten arbeiten Wissenschaftlern in verschiedenen Teams, jetzt haben US-Forscher eine neue Technik vorgestellt, bei dieser wird eine Anode verwendet, welche deutlich leistungsfähigere Lithiumionen-Akkuszellen ermöglicht.
So soll der Akku bis zu zehnmal mehr Energie speichern können, als es heutige vergleichbare Akkus können und auch die Ladezeit verkürzt sich.

Bei den Forschern handelt es sich um Wissenschaftler der Northwestern University in Evanston (US-Bundesstaat Illinois), welche eine neue Elektrode für Lithiumionen-Akkus entwickelt haben.

Wenn die in einem Lithiumionen-Akku gespeicherte elektrische Energie genutzt wird, gelangen Lithiumionen von der Anode durch ein Elektrolyt zur Kathode. Wird die Akkuzelle wieder geladen, verläuft der Prozess in umgekehrter Richtung. Die Kapazität wird dabei dadurch bestimmt, wie viele Lithiumionen sich an beiden Elektroden anlagern können. Die Ladezeit hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Ionen von einer Elektrode zur anderen wandern (können).

Für die beiden Faktoren haben die Forscher um Harold Kung eine Lösung gefunden, wie sie im Fachmagazin Adancend Energy Materials schreiben. Anode und Kathode bestehen aus jeweils mehreren Lagen aus Graphen, einem zweidimensionalen Kohlenstoff. Eine Beschränkung besteht darin, dass sich ein Lithium-Ion an sechs Kohlenstoffatome anlagert.

Wenn die Elektroden aus Silizium gefertigt werden, steigt die Kapazität: An ein Siliziumatom können sich vier Lithiumionen anlagern. Das Problem ist aber, dass sich das Silizium dabei stark ausdehnt und zusammenzieht, so reduziert sich auch seine Speicherkapazität.
Herrn Kung und seinen Kollegen ist es gelungen, eine Anode aus beiden Materialien gefertigt: So wurden Siliziumcluster zwischen den Graphenlagen platziert, die das Silizium stabilisieren; Mit Hilfe dieses Verfahrens steigt die Speicherkapazität der Elektrode.

Um die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen, wurden Löcher hinzugefügt. Denn die Ladegeschwindigkeit hängt mit der Form des Graphen zusammen, so sind Lagen vergleichsweise lang. Die Lithiumionen müssen an den äußeren Lagen entlang wandern, bevor sie zu den dahinter liegenden gelangen. Dabei kommt es an den Enden der Lagen zu Ionenstaus.
Nun haben die Forscher ihre Anode so konstruiert, dass in den Graphenlagen 10 bis 20 Nanometer große Löcher sind, die die Lithiumionen als Abkürzung nutzen. Durch diesen „Trick“ soll sich die Ladezeit verringern.

Mit Hilfe des von Kung entwickelten Anodenaufbau soll ein Akku bis zu zehnmal mehr elektrische Energie speichern können, gleichzeitig verkürzt sich nach Angaben der Wissenschaftler nur noch ein Zehntel der normalen Ladezeit ohne diese Kniffe.

In drei bis fünf Jahren sollen laut der Forscher die neu entwickelten Akkuzellen serienreif sein.

Für ein Elektroauto wären solche Energiespeicher von großen Vorteil, da so die Reichweite zehn Mal höher sein könnte und die Ladezeit gleichzeitig sehr gering wäre.

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Kai
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