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Wie kann man Akkus mit diesen Kohlenstoff- Nanostrukturen verbessern?

Bild 6: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Li-Ionen Batterie mit Graphit als Speichermedium für die Li-Ionen am Minuspol und MO2 als Material am Pluspol. Die entsprechenden Elektroden bestehen aus Kupfer und Aluminium. (Nach einer Grafik des Karlsruher Instituts für Technologie: https://www.tvt.kit.edu/21_984.php )

Um bestehende Akku-Technologien zu verbessern setzt man neben den Methoden der Industrie in der Wissenschaft vor allem auf neue Materialien und Techniken diese für den Betrieb in Akkus zu optimieren.

Die wichtigsten Verbesserungen in sämtlichen Medien, welche zur Energiespeicherung dienen beinhalten:

  • Höhere Speicherdichte: Möglichst viele Ladungen auf möglichst kleinem Raum zu speichern um kleinere effektivere Batterien und Akkus zu bauen.

  • Längere Lebensdauer: Mehr Ladezyklen ohne signifikante Abnützung und Abnehmen der Batterieleistung (typisch bei derzeit verwendeten Li-Ionen Akkus).

  • Kürzere Ladezyklen: Um die Zeit für das Wiederaufladen so kurz wie möglich zu halten

Wie bereits erwähnt haben kommerzielle Li-Ionen Akkus, vor allem im Bereich der Lebensdauer, noch immer Probleme nach einer gewissen Anzahl von Lade- und Entladezyklen. Es gibt natürlich eine Vielzahl von Ansätzen um Batterien und Akkus zu verbessern. In diesem Rahmen sollen allerdings vor allem die Vorteile von Kohlenstoffnanostrukturen in der Batterietechnologie diskutiert werden.

Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien bieten vor allem einen großen Vorteil was die Möglichkeit zur Speicherung verschiedener Fremdatome betrifft. In Graphit, genauso wie in Kohlenstoff-Nanorühren kann eine Vielzahl von Atomen und Molekülen stabil „gelagert“ werden. Dabei können die Atome direkt in die Ebenen eingebracht werden um Kohlenstoffatome zu ersetzen (Substitution), was allerdings den Nachteil mit sich bringt, dass nur Atome von ähnlicher Größe und nur in kleiner Anzahl eingelagert werden können. Außerdem sind größere Energien erforderlich um die Atome wieder aus der Verbindung zu lösen, was diese Methode unbrauchbar macht für die Anwendung in Akkus.

Bild 5: Verschiedene Möglichkeiten zur Einlagerung von Atomen und Molekülen in Kohlenstoff-Nanostrukturen am Beispiel von Kohlenstoff-Nanoröhren.

Damit bleibt in Graphit noch eine weitere Möglichkeit eine große Anzahl von Fremdatomen zu lagern; zwischen den einzelnen Graphitebenen welche nur schwach gebunden sind (durch van der Waals Wechselwirkung). Dies nennt man Interkalation. Dabei können unterschiedliche leichte Atome bis zu einer theoretisch maximalen Anzahl von einem Fremdatom pro sechs Kohlenstoffatome eingebracht werden. Es werden vor allem Alkalimetallatome zur Interkalation verwendet. In der Praxis kann maximal eine Rate von 1/8 erreicht werden. Unter der Annahme, dass ein Elektron pro Alkalimetallatom gespeichert werden kann, stellt dies eine der höchstmöglichen Speicherdichten dar, die im Moment erreicht werden können. Deswegen wird Graphit auch jetzt bereits meist als Material für die negative Elektrode von Li-Ionen Akkus eingesetzt (alternativ zu Lithium-Titanat und Zinkoxid) während die positive Elektrode meist aus Lithium-(Kobalt)-Stickstoff Verbindungen oder Molybdändioxid besteht.

Weiter Verbesserungen der Speicherdichte können vor allem durch saubere Verarbeitung des Graphits und damit einer Erhöhung der Li Speicherkapazität bis zum theoretisch maximal möglichen Wert, erreicht werden. Dazu müssen die Mechanismen, die bei der Interkalation eine entscheidende Rolle spielen, vollständig verstanden werden.

Auch in Kohlenstoffnanoröhren kann eine ähnliche Rate von Fremd- zu Kohlenstoffatomen mit Interkalation erreicht werden. Zusätzlich können in geöffneten Kohlenstoffnanoröhren auch Atome im Inneren der Nanoröhren gespeichert werden (Füllen), was in Zukunft zu noch höheren Speicherdichten führen könnte.

Auch die Dauer von Lade und Entladezyklen kann durch ein besseres Verständnis der Interkalations- Prozesse noch weiter optimiert werden. Allerdings hat zumeist die Beschaffenheit des Mediums (Elektrolyt) in welchem die Ionen transportiert werden den größten Effekt auf die Dauer von Ladezyklen (Somit auch auf die Rate mit der ein Akku entladen werden kann, welche in Li-Ionen Akkus oft stark begrenzt ist.)

Zusammenfassend kann man sagen, dass weiter Optimierung der verwendeten Graphitstrukturen und der Interkalations-Prozesse vor allem zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Speicherdichte (und damit zu einer möglichen Miniaturisierung) beitragen.

Das Team der EPM-Gruppe der Universität Wien beschäftigt sich dabei vor allem mit der Erforschung der elektronischen und optischen Eigenschaften von chemisch veränderten (Interkalation, Substitution, Füllen) Graphit-Strukturen und Kohlenstoff-Nanoröhren.

Zusammenfassend kann man sagen, dass weiter Optimierung der verwendeten Graphitstrukturen und der Interkalations-Prozesse vor allem zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Speicherdichte (und damit zu einer möglichen Miniaturisierung) beitragen.

Das Team der EPM-Gruppe der Universität Wien beschäftigt sich dabei vor allem mit der Erforschung der elektronischen und optischen Eigenschaften von chemisch veränderten (Interkalation, Substitution, Füllen) Graphit-Strukturen und Kohlenstoff-Nanoröhren.

Noch weitere Fragen!? Weiterführende Informationen finden sie hier:

Neue Entwicklung im Bereich der Batterien und Akkus

http://www.isi.fraunhofer.de/isi-wAssets/docs/t/de/publikationen/TRM-LIB2030.pdf
http://www.batteriezukunft.de/

Beispiele für funktionalisierte Kohlenstoff-Nanoröhren

https://www.fkf.mpg.de/50876/kk379.pdf
http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/731/1188546616015-6974.pdf

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