Man kennt es: Der Akku gibt unterwegs im entscheidenden Moment auf und das Ladekabel ist nicht griffbereit. Die naheliegendste Lösung ist, einfach regelmäßig den Akku aufzuladen – generell hilfreich wäre aber eine Erhöhung der Laufzeit der Batterien.

Ingenieur:innen der Rice University haben eine Möglichkeit gefunden, Lithium-Ionen-Batterien effizienter zu gestalten, sodass die Leistungsfähigkeit um bis zu 44 Prozent erhöht werden kann. Berichten zufolge haben die Forschenden dafür eine skalierbare Methode entwickelt, die die sogenannte Prä-Lithiierung optimiert.

Kurzer Grundkurs der Prä-Lithiierung: Während der ersten Lade- und Entladezyklen von Lithium-Ionen-Batterien treten Lithiumverluste in der Zelle auf. Diese sind irreversibel. Diese Verluste haben negative Auswirkungen auf die Kapazität und die Lebensdauer der Zelle.

Hier kommt die Prä-Lithiierung ins Spiel: Dabei handelt sich um eine Methode, diese irreversiblen Verluste zu kompensieren. Dabei wird zusätzliches Lithium in die Zelle gebracht. Das Verfahren beruht auf der Beschichtung der Siliziumanoden mit stabilisierten Lithium-Metall-Partikeln.

Und hier kommt das Partikelspray zum Einsatz: Die Entwicklung der Methode kam zustande, als ein Chemie- und Biomolekularingenieur des Rice Labors versuchte, eine Schicht der Partikelmischung auf die Anoden zu sprühen. Die Ingenieurin Sibani Lisa Biswal fand heraus, dass das Besprühen der Anoden die Kapazität der Batterie um 22 bis 44 Prozent erhöht.

Zudem können die Batteriezellen, die eine größere Menge der Beschichtung aufweisen, auch einen höheren Wirkungsgrad erzielen.

Dieser Fortschritt könnte die Art und Weise, wie batteriebetriebene Gegenstände im täglichen Alltag genutzt werden, völlig verändern. Die Akkuleistung von Gegenständen, die auf Basis von lithiumbetriebenen Batterien funktionieren, könnten in vielen Bereichen verbessert werden.

Allerdings gibt es auch Nachteile: Wenn die Batterien bei voller Kapazität zyklisiert – also zu 100 Prozent aufgeladen – werden, beginnen sie in den nachfolgenden Zyklen mit den Partikeln schneller zu verblassen.

Aber natürlich gibt es auch noch weitere Möglichkeiten, effizientere Batterien zu erschaffen. So würde der Einsatz von Silizium anstelle von Graphit in Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte ermöglichen. Denn Graphit kann weniger Lithium-Ionen aufnehmen als Silizium.

Aber auch Silizium hat so seine Tücken: Es kann eine sogenannte Festkörper-Elektrolyt-Zwischenphase (SEI) bilden. Diese Schicht wirkt wie ein Filter und lässt nur Lithiumionen durch und blockt Lösungsmittelmoleküle ab. Bei der Entladung werden durch elektrochemische Reaktionen Elektronen aus dem Lithium freigesetzt. Diese erzeugen Strom und treiben beispielsweise Fahrzeuge an.

Das Problem: Bei kalten Temperaturen gefriert der Elektrolyt mit den Karbonat-Lösemitteln. Die Fähigkeit, die notwendigen Lithiumionen beim Aufladen in die Anode zu transportieren, geht verloren und die Batterie wird schnell abgenutzt.

Wenn es gelingt, diese Probleme zu überwinden, könnten die neuen Partikel und die Verwendung von Silizium in Lithium-Ionen-Batterien zu einer längeren Haltbarkeit führen und zuverlässige Batterien entstehen lassen. Es bleibt zu hoffen, dass diese Entdeckungen weitergehen und in naher Zukunft auch den breiten Verbraucher:innen-Markt erreichen.