Fraunhofer IWS züchtet schwefelige Nanowälder als Batterieelektroden mit Rekordkapazitäten

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12. Juni 2012 |

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden und ihre Partner forschen an neuen Materialien für elektrische Energiespeicher der Zukunft. Dabei infiltrieren sie zum Beispiel einen Rasen aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) mit Schwefel und erhalten so nach eigenen Angaben äußerst preiswert neue Elektrodenwerkstoffe, deren hohe Kapazität im Vergleich mit momentan erhältlichen Li-Ionen-Batterien eine Verdopplung der Energiedichte ermöglichen soll.

Wie die Forscher betonen, besitzen Schwefelkathoden bemerkenswerte Vorteile gegenüber bisher verwendeten Elektroden: zum einen würden sich durch die hohe Kapazität des Schwefels deutlich höhere Energiedichten erreichen lassen. Zum anderen sei Schwefel ein preiswerter, ungiftiger und nicht limitierter Rohstoff. Da Schwefel jedoch eine geringe Leitfähigkeit besitzt, muss er in eine leitfähige Matrix eingebracht werden, um möglichst auf der Nanoskala kontaktiert zu werden und damit elektrochemisch nutzbar zu sein. Eben hierfür haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS in Dresden ein nach eigenen Angaben nahezu perfektes Material entwickelt: Mit einem einfachen Auftragsverfahren lassen sie vertikal ausgerichtete CNT direkt auf Metallsubstraten wie Aluminium, Nickel oder Edelstahl aufwachsen. In diese Struktur kann der Schwefel infiltriert werden, sodass stabile und kompakte Elektroden, ganz ohne Zusatz von Bindern oder anderen Additiven, entstehen.

Aktuelle Ergebnisse zeigen nach Angaben des Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik, dass die neuen Materialien mit bis zu 1300 mAh/g , bezogen auf die Masse des Schwefels, eine äußerst hohe Kapazität besitzen. Mit 900 mAh/g, bezogen auf die Masse des Komposits, übertreffen sie entsprechende Werte von binderhaltigen Elektroden deutlich.

In dem durch das BMBF mit rund 956.000 Euro geförderten Projekt "AlkaSuSi - Alkalimetall Schwefel und Silizium" (Laufzeit bis April 2014) werden diese Materialien für die Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien mit den Partnern des Fraunhofer Instituts für Chemische Technologie (ICT) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel weiterentwickelt und untersucht. Dabei kombinieren die Forscher die Schwefelkathode mit einer Silizium-Nanodraht-Anode, um eine Batteriezelle mit einer Energiedichte von 400 Wh/kg zu generieren. Für die Anode werden Siliziumnano- oder mikrodrähte über ein Ätzverfahren mit definiertem Durchmesser und Abstand hergestellt. Stabilisierungsebenen sollen ein Zusammenkleben der Siliziumdrähte verhindern und ein einfaches Abreißen vom Siliziumsubstrat erlauben. Der Kupfer-Ableiter wird galvanisch aufgetragen.

Über das Thema "Vertically aligned carbon nanotubes as novel electrodes for energy storage applications" referiert Susanne Dörfler vom Fraunhofer IWS am heuten Dienstag, 12. Juni 2012, auf der Nanofair 2012, dem 9. Internationalen Nanotechnologie-Symposium in Dresden (12. Bis 13. Juni).

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Autorin/Quelle: Caterina Schröder/ATZ online

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