ETH Zürich Vanadat-Borat-Glas - die Zukunft der Batterie?

Elektroautos, Energiewende, Smartphones und sogar Boeing-Flugzeuge: Lithium-Ionen Akkus braucht die Welt. Doch die Batterien und Speicher gelang an ihre Grenzen. Eine Alternative muss her. ETH-Wissenschaftler Semih Afyon und der emeritierte Chemieprofessors Reinhard Nesper haben eine Lösung.

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In mehrjähriger Forschungsarbeit sind sie auf ein Material gestoßen, das die Batterieleistung verdoppeln könnte, heißt es in einer Pressemitteilung der Universität. Dabei handelt es sich um ein Vanadat-Borat-Glas, das die Forscher als Kathodenmaterial verwenden, wie sie kürzlich in der Fachzeitschrift Scientific Reports berichteten. Das Material besteht aus Vorläufersubstanzen von Vanadiumpentoxid (V2O5) und Lithium-Borat (LiBO2), das überdies mit reduziertem Graphitoxid (RGO) beschichtet wurde, das die Leistung des Materials als Elektrode verbessert. Die Forscher verwendeten eine vanadiumbasierte Verbindung, weil es von Vanadium zahlreiche Oxidationsstufen gibt. Vanadiumpentoxid beispielsweise kann in kristalliner Form drei positiv geladene Lithium-Ionen aufnehmen – dreimal mehr als Lithium-Eisen-Phosphat, das in heutigen Kathoden verwendet wird. Allerdings kann kristallines Vanadiumpentoxid nicht alle der eingelagerten Lithium-Ionen freigeben und es lässt nur wenige stabile Lade-Entlade-Zyklen zu. Denn beim Laden dringen die Lithium-Ionen in das Kristallgitter ein, sodass die Elektrodenpartikel insgesamt anschwellen, nur um zu schrumpfen, sobald die Ionen die Partikel verlassen. Dies kann dazu führen, dass sich die Struktur des Elektrodenmaterials verändert und Kontakte verloren gehen.

Die Forscher mussten deshalb eine Lösung dafür finden, damit das Elektrodenmaterial bei maximierter Kapazität seine Struktur beibehält. So kamen sie auf die Idee, statt einer kristallinen Form ein Vanadium-"Glas" zu verwenden, schreibt die Universität. Glas hat eine sogenannt amorphe Struktur, in der sich die Atome nicht wie in einem Kristall in einem regelmässigen Gitter anordnen, sondern in einem wilden Durcheinander. Um das Material für die Batteriekathode herzustellen, vermengten die Wissenschaftler pulverförmiges Vanadiumpentoxid mit glasbildenden Boraten. «Das aus dieser Mischung resultierende Glas ist ein neuartiges Material, im Endeffekt also weder Vanadiumpentoxid noch Lithium-Borat» sagt der Forscher. Vanadium (V5+) sei dennoch der aktive Stoff, der die Lithium-Ionen beim Entladen der Batterie aufnehme. Die Forscher schmolzen das Pulver bei 900°C und kühlten die Schmelze so rasch als möglich ab. Dabei entstanden hauchdünne Glasplättchen, welche vor ihrer Verwendung wieder zu Pulver zerstossen wurden, um die Oberfläche zu vergrössern und Porenraum zu schaffen. "Ein großer Vorteil des Vanadat-Borat-Glases ist seine einfache und kostengünstige Herstellung", betont Afyon. Das erhöhe die Chancen für eine industrielle Anwendung.

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