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Neue Akku-Generation vor dem Durchbruch

Forschende am Paul Scherrer Institut PSI in Villigen, Kanton Aargau, machen erstmals unsichtbare flüssige Komponenten in Akkus mittels Röntgenstrahlen sichtbar. Das könnte einer neue Akku-Generation zum Durchbruch verhelfen.

Arbeiter im Paul Scherrer Institut PSI in Villigen, Kanton Aargau
Arbeiter im Paul Scherrer Institut PSI in Villigen, Kanton Aargau

Ein Lithium-Schwefel-Akku kann theoretisch rund drei Mal so viel Energie liefern wie der heute weit verbreitete Lithiumionen-Akku. Der Haken dabei: die heutigen Lithium-Schwefel-Prototypen verlieren schon nach wenigen Ladezyklen merklich an Kapazität. Daher sind sie bislang für eine breite Nutzung etwa in Elektroautos nicht geeignet. Das könnte sich bald ändern.

Forschende im PSI-Labor für Elektrochemie gewannen neue Einblicke in die verantwortlichen Vorgänge, indem sie eine spezielle Untersuchungsmethode mit Röntgenlicht entwickelten und diese nutzten, um die chemischen Reaktionen innerhalb des Akkus zu verfolgen. Sie machten damit erstmals direkt sichtbar, wie sich Lithium-Schwefel-Verbindungen im Akku verändern und wie es infolge dessen zum Kapazitätsverlust kommt. Und sie beobachteten erstmals, wie gewöhnliches Quarzpulver – der Hauptbestandteil von Sand und die Hauptzutat von Glas – den Lithium-Schwefel-Akku verbessert: Als Zusatz in der Akku-Flüssigkeit steigert es die verfügbare Energie und dämmt den mit der Zeit eintretenden Kapazitätsverlust ein.

Die positive Auswirkung von Quarz zeigte sich, als die PSI-Forschenden in Kooperation mit einem Kollegen der Universität Grenoble Alpes mit einer speziellen Röntgenmethode die chemischen Vorgänge im Akku untersuchten. Üblicherweise lassen sich mit dieser Technik keine Flüssigkeiten beobachten und somit bleiben auch die Vorgänge im Elektrolyt verborgen. Die Röntgendiffraktion gelingt nur an geordneten, kristallinen Strukturen. Die Schwefelanteile in der Akku-Flüssigkeit schwimmen jedoch normalerweise ungeordnet herum. Um die Polysulfide dennoch sichtbar zu machen, tauchten die Forschenden Glasfasern in den Elektrolyt. An deren Oberfläche lagerten sich die Polysulfide in geordneter Weise ab und konnten so mit Röntgenstrahlen sichtbar gemacht werden. Ohne damit zu rechnen, stellten die Forschenden zudem fest, dass die Glasfasern die unerwünschten Ablagerungen im Akku  verminderten. Da Glas hauptsächlich aus Quarz besteht, war es naheliegend, Quarzpulver fortan als eine Art Waschmittel in den Akkus einzusetzen.

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