TEIL C

ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (VIII)

Magnetische Batterie (Spin Battery)

Ein völlig neuartiges und sehr vielversprechendes Batteriekonzept kommt erstmals im Oktober 2008 in die Fachpresse, als ein Team um den Physiker Eiji Saitoh von der Keio University in Yokohama, Japan, gemeinsam mit Kollegen aus anderen japanischen Institutionen über ihre Entdeckung berichten, daß sich Elektronen entsprechend ihrer Spins – quasi die Drehachse – umordnen, wenn die eine Seite einer magnetisierten Stange aus Nickeleisen aufgeheizt wird.

Dieser Spin-Seebeck genannte Effekt könnte zu magnetischen Batterien führen, die magnetische Ströme anstatt elektrische Ströme erzeugen. Der Name bezieht sich auf den ursprünglichen Seebeck-Effekt, bei dem die Erwärmung der einen Seite eines leitfähigen Stabes Elektronen veranlaßt, sich in Richtung des kühleren Ende der Stange zu bewegen, was wiederum zur Erzeugung einer Spannung führt. Der neue Effekt ist ähnlich, wirkt allerdings auf den Spin der Elektronen, was in der Quantenphysik der magnetischen Nord-Süd-Ausrichtung entspricht. Im vorliegenden Fall versammeln sich up-Spin-Elektronen (die dem Magnetfeld der Stange nach ausgerichtet sind) auf der wärmeren Seite, wenn ein magnetisiertes Metall wie eine Nickel-Eisen-Stange erhitzt wird, während die (nicht ausgerichteten) down-Spin-Elektronen die kühleren Seite bevorzugen. Dadurch hat diese Stange mit getrennten Spin nun zwei Elektroden und kann als Grundlage für eine neue Art effizienter Batterien dienen, die ‚Spin-Spannung’ oder magnetischen Ströme erzeugen, wie sie bislang nur schwierig produziert werden konnten.

Im März 2009 folgt die Meldung, daß es nun Forschern der Universitäten Tokio und Tohoku gemeinsam mit Kollegen der University of Miami um den Physiker Stewart E. Barnes gelungen sei, die Existenz einer Spin-Batterie zu beweisen. Ihre Version wird durch das Anlegen eines starken Magnetfeldes an Nano-Magneten in einer als Magnetischer Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) bezeichneten Vorrichtung ‚aufgeladen’, wodurch das Gerät Energie im Magneten speichern kann. Die Forscher vergleichen den Effekt mit dem Aufziehen eines Spielzeugautos und berichten, daß sie mit dem Effekt zwar gerechnet haben, jedoch völlig überrascht waren, als das Gerät eine Spannung erzeugt, die hundertmal größer ist, und dies auch noch für zehn Minuten, anstatt für nur Millisekunden, wie eigentlich erwartet.

Die Technologie, Nano-Magneten zu verwenden, um eine elektromotorische Kraft zu induzieren, nutzt im Grunde ähnliche Prinzipien wie bei herkömmlichen Batterien, nur in einer wesentlich direkteren Art und Weise, da magnetische Energie hier direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, ohne jegliche chemische Reaktionen. Der in diesem Prozeß erzeugte elektrische Strom wird als spinpolarisierter Strom bezeichnet und findet hauptsächlich im neuen Technologiebereich der Spintronik (o. Spinelektronik, Fluxtronik) Anwendung. Außerdem erweitert die neue Entdeckung das Verständnis der Art und Weise, wie Magneten arbeiten, wobei schon kleine Verbesserungen bei zukünftigen Maschinen erhebliche finanzielle und energetische Wirkungen entfalten könnten.

Obwohl das neue ‚Gerät’ bislang einen Durchmesser von etwa dem eines menschlichen Haares hat und noch nicht einmal eine LED betreiben kann, gehen die Wissenschaftler davon aus, daß die Energie, die in dieser Weise gespeichert wird, sogar ein Auto antreiben kann: „Das Gerät ist möglicherweise besser als alles, was bisher gefunden wurde“.

Wie im Mai 2010 berichtet wird, forscht auch der Physiker Amos Sharoni, ein Experte für Kondensierte Materie, am neuen Nano-Zentrum der Bar Ilan Univeristy in Israel auf dem Feld der Spintronik. Dabei setzt er Projekte fort, die er an der University of California San Diego begonnen hatte. Seine Forschung könnte zur Entwicklung von energieeffizienten Computern und Batterien führen, die 10 mal länger funktionieren als die gegenwärtigen.

Wesentlich höher greift Prof. Horst Werner Schmidt-Böcking vom Institut für Kernphysik der Universität Frankfurt, der sich nach seiner Pensionierung unter anderem auch mit Tiefsee-Pumpspeichern beschäftigt (s.d.).

Seinem radikalen Ansatz zufolge könnte ein spezielles, positiv geladenes Material gemäß den Regeln der Quantenphysik extrem viele Elektronen aufnehmen, wenn man es mit besonders präparierten Elektronen füttert, deren Spin in ein und dieselbe Richtung zeigt. Damit käme das Material auf eine rund tausendmal höhere Speicherleistung als ein heutiger Akku, sodaß ein Jumbojet mit einer Batterie von der Größe eines Kubikmeters sechsmal um die Erde fliegen könnte, wie der Physiker sagt. Allerdings sei noch völlig offen, wie sich die Idee technologisch umsetzen ließe, die so neu nicht ist, denn zum Patent angemeldet wird sie bereits 1997 (DE-Nr. 197 05 520.6, erteilt 1999).

In der dortigen Beschreibung heißt es: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeicherbausteins durch Erzeugen metastabiler Atome mit Innenschalenvakanzen, insbesondere durch Erzeugen langsamer, hochgeladener Ionen und Wechselwirken von Ionen mit spinpolarisierten Elektronen zum Einfangen von Elektronen einer Spinrichtung, und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Energiespeicherbausteins mit einer Ionenquelle und einem Mittel zum Ermöglichen einer Wechselwirkung mit spinpolarisierten Elektronen.

Über weitere Forschungen oder Umsetzungen konnte ich bislang nichts finden.

Mangan-Titan-Batterie

Bei diesen Batterien handelt es sich um wieder aufladbare 1,5 V Knopfzellen mit niedriger Selbstentladungsrate von nur 10 % pro Jahr, die schon lange kommerziell erhältlich sind, z.B. von Panasonic. Anwendungen finden sie hauptsächlich in Uhren.

Es sind allerdings nur andere Lithium-Knopfzellen, da sie mit einer Anode aus Lithium-Titan-Oxid und einer Kathode aus Mangan-Dioxid mit eingelagertem Lithium hergestellt sind.

Siehe unter Lithium-Mangan-Batterie.

Metallfluorid-Batterie

Siehe unter Fluorid Ionen Batterie.

Mikro-Batterie

Ein Forschungsprojekt von Prof. Marc J. Madou, University of California, beschäftigt sich 2004 mit der Entwicklung von C-MEMS-3D-Mikrobatterien in Chipgröße. Die Leistungen von Mikrobatterien liegen zu diesem Zeitpunkt zwischen 20 µW bis zu 40 mW, bei verfügbaren Energien von 100 µWh bis zu 5 Wh. In Herzschrittmachern werden z.B. Batterien mit Leistungen von 20 - 200 µW und Energien von 1 - 5 Wh verwendet.

Bei einer weiteren Miniaturisierung durch die Verkleinerung der Elektrodenoberfläche und des Elektrolytvolumens nimmt die Kapazität allerdings rapide ab. Einen Ausweg aus dem Problem könnte die C-MEMS-Technologie mit geeigneten neuen Materialien und einer praktikablen Lösung für die Mikrofabrikation bieten (C-MEMS = Carbon Microelectromechanical Systems; konventionelle MEMS basieren meist auf Silizium).

Das Forschungsteam schafft mehr Raum für den Elektrolyten, in dem es mittels fotolithographischen Techniken Elektroden erzeugt, die an ein Nagelbett erinnern, dessen 400 µm lange Nägel aus Kohlenstoff sind, mit einem Abstand von je 20 µm zueinander. Hierbei sind Anoden und Kathoden abwechselnd in Reihen angeordnet, und der Elektrolyt befindet sich zwischen den Kohlenstoff-Säulen, die in dieser Form eine stark vergrößerte Reaktionsoberfläche haben. Die einzelnen Batterieelemente (Baxel) werden dann multiplexartig angeordnet, wodurch sich einzelne Elektrodengruppen zu- und abschalten lassen und die Batterie in der Lage ist, je nach Bedarf verschiedene Ströme und Spannungen zur Verfügung zu stellen.

Die mittels C-MEMS erzeugten Kohlenstoff-Filme zeigen in wässrigen und nichtwässrigen Elektrolyten teilweise Resultate, die denen von Glaskohlenstoff-Filmen vergleichbar sind, letztlich sollen die C-MEMS-Mikrobatterien aber drei- bis fünfmal mehr Energie erzeugen als die derzeit erhältlichen kleinsten Mikrobatterien.

Entwicklungsziel sind eine Mikro-3D-Zink-Kohlenstoff-Primärbatterie sowie ein Mikro-3D-Lithium-Ionen-Akku. Hierfür wird mit verschiedenen 3D-Geometrien und unterschiedlichen Anordnungen von Kathoden und Anoden experimentiert. Was auch 2014 noch der Fall ist, wie es aus entsprechenden Veröffentlichungen Madous hervorgeht.

Weitere Mikrobatterien gibt es in Form von Nanobatterien sowie als Nuklearbatterien (s.d.).

Nano-Batterie

Eines der ersten Patente in diesem Sektor wird bereits im April 2000 von Forschern des japanischen Unternehmens Kawasaki eingereicht (US-Nr. 6.528.211, erteilt 2003). Dabei handelt es sich um Elektroden-Material, das aus einem Verbundwerkstoff besteht, der von Faser-Zusammenballungen mit Mikro-Poren durchsetzt ist. Diese Zusammenballungen bilden sich durch verschlungene Massen von Kohlenstoff-Fasern, die aus einem Kohlenstoff-Dampf heraus zum Wachsen gebracht werden.

Im Jahr 2002 arbeitet ein Team der University of Florida mit Finanzierung des U.S. Office of Naval Research am Einsatz von Nano-Werkstoffen zur Verkleinerung und insbesondere zur Gewichtsreduzierung von Batterien.

Drei Jahre später kreuzen Wissenschafter des Massachusetts Institute of Technology (MIT) die altbekannte Kondensatoren-Technologie mit der neuen Nanotechnik. Das Problem von Kondensatoren besteht darin, daß ihre Leistungsfähigkeit von der Elektrodenfläche abhängt, und daß deshalb sehr große Flächen benötigt werden, um die Speicherwerte herkömmlicher chemischer Energieträger zu erreichen.

Schon im Dezember 2005 können die MIT-Forscher einen wieder aufladbaren Nano-Akku vorstellen, dessen Elektroden von feinsten Nano-Fasern aus Kohlenstoff, etwa 30.000 mal dünner als ein menschliches Haar, wie ein Pelz umkleidet sind und damit für die nötige große Oberfläche sorgen. Die Fasern sind dabei etwa 100.000 Mal länger als ihr Durchmesser.

Man geht davon aus, daß der angestrebte Akku, der unter dem Namen Ultra-Battery firmieren soll, bis zu mehrere hunderttausend Mal aufgeladen werden kann, wobei das Aufladen künftig nicht mehr mehrere Stunden, sondern nur noch wenige Sekunden dauern soll. Die immense Steigerung der Stromspeicherfähigkeit wird damit erklärt, daß die Speicherkapazität des elektrischen Feldes auf eine atomare Ebene angehoben wird.

Anmerkung: Mit demselben Namen wird auch ein Batterietyp bezeichnet, der auf einer Edelgasverbindung basiert und nichts mit diesem Nano-Akku des MIT zu tun hat (s.u. Ultra-Batterie).

In Rußland arbeiten Forscher des JINR Scientific Centre for Applied Research (SCAR) 2005 ebenfalls an Nano-Batterien, wobei hier Metallpartikel in Nano-Größe in eine Polymer-Matrix eingesetzt werden. Nähere Details darüber gibt es nicht.

Im Jahr 2006 wird aus Frankreich gemeldet, daß Wissenschaftler zweier Universitäten mittels nanotechnologischen Methoden eine Elektrode für Lithium-Batterien entwickelt haben, die wesentlich kraftvoller und dabei auch noch kleiner ist als die herkömmlichen Modelle. Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Nanorods, die als Anker des aktiven Materials dienen, das diese Fibern umhüllt. Die Oberfläche von 1 cm² der Elektrode wird durch die Nanorods auf 50 cm² gesteigert.

Anfang 2007 berichten Wissenschaftler der Universität Tel Aviv, daß sie im Laufe einer vierjährigen Forschungsreihe eine neuartige Lithium-Ionen 3D-Nanobatterie entwickelt hätten. Bei ihrer Herstellung nutzen sie ein Silikon- oder Glassubstrat, in das eine Matrix aus 50 Mikron durchmessenden und 500 Mikron tiefen Löchern eingebracht wird, von denen jedes einzelne wie eine unabhängige Mikrobatterie mit einer Leistung von 8 – 10 µW funktioniert. Eine Fläche von 1 cm² dieser Nanobatterie leistet dadurch 150 – 200 mW. Das System gilt als besonders sicher, weil Kurzschlüsse in einigen Mikro-Batterien die Gesamtkapazität kaum signifikant verringern würden.

Als Einsatzbereiche für ihre Batterie sehen die Wissenschaftler neben dem Konsumbereich insbesondere die RFID-Technologie (Radio Frequency Identification), die Mikro-Elektromechanischen Systeme (MEMS) sowie den sogenannten ‚smart dust’ – winzig kleine, unterhalb der Sehbereichs angesiedelte, halbautonome Nanomaschinen, die für sehr unterschiedliche Einsatzgebiete konzipiert werden, darunter auch die Überwachung und militärische Anwendungen.

Im Oktober 2007 erscheinen in den Fachblogs Fotos zukünftiger US-Soldaten, in deren Uniformstoffe Nano-Fasern eingewoben sind, welche die Funktion von Energiespeichern und -lieferanten übernehmen sollen. Machbar wird diese Entwicklung durch eine neue Extrudermaschine, die in der Lage ist verschiedene Materialien auf Nanomaßstab miteinander zu organisierten Fasern zu verbinden.

Ende 2007 vermelden auch Forscher der Universität Stanford die Entwicklung einer Nanodraht-Batterie auf Lithiom-Ionen-Basis, die eine 10-fach größere Speicherkapazität als die herkömmlichen Systeme haben soll. Ein Laptop ließe sich damit rund 20 Stunden lang betreiben, bevor seine Batterie wieder aufgeladen werden muß. Die Nanofasern aus Silizium sollen zukünftig eine wichtige Alternative zu den bisherigen Graphit-Annoden bilden.

Daß wie Blumen geformte Nanopartikel-Batterien mehr Leistung und längere Akkulaufzeiten erreichen, berichten Wissenschaftler um Hao Zhang und Gaoping Cao vom Research Institute of Chemical Defense in China. Nanoblumen sind nicht neu, und es sind bereits verschiedene Arten von blumenförmigen Nanopartikeln aus unterschiedlichen Materialien entwickelt worden, darunter auch aus Manganoxid, einer Schlüsselkomponente herkömmlicher Batterien. Diese älteren Generationen von Nanoblumen erwiesen sich für elektronische Produkte allerdings als ungeeignet.

Bei ihrem neuen Ansatz lassen die Wissenschaftler zunächst Cluster aus Kohlenstoff-Nanoröhren auf einer Tantal-Folie wachsen, d.h. Stränge aus reinem Kohlenstoff, die 50.000 mal dünner sind als ein menschliches Haar, und die bekanntermaßen eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Anschließend wird unter Verwendung einer einfachen und kostengünstigen Beschichtungstechnik (Elektroabscheidung) Manganoxid auf die Nanoröhren abgeschieden, wobei jene 100 nm weiten Cluster entstehen, die unter dem Elektronenmikroskop Löwenzahn-Blüten ähneln.

Während die Nanoröhrchen mehr oder weniger vertikal wachsen, dabei aber nicht sehr steif sind und daher dazu neigen, übereinander zu fallen, wachsen die Nanoblumen meist an den Verbindungsstellen mehrerer Nanoröhrchen und haben im Vergleich zu typischen Manganoxid-Partikeln eine extrem große Oberfläche von 236 m² pro Gramm. Da jede Manganoxid-Nanoblume direkt mit der Tantalfolie durch zwei oder mehr ‚Elektronen-Autobahnen’, den Kohlenstoff-Nanoröhren, verbunden ist, ermöglicht dieses überlegene Leiternetz einen effizienten Ladungstransport, wobei die Ladung schnell in das Manganoxid übertragen und dort gespeichert wird.

Die neue Elektrode speichert doppelt so viel Ladung und liefert fünf Mal so viel Strom wie die Aktivkohle-Elektroden, die in aktuellen Ultrakondensatoren verwendet werden. Auch die Langlebigkeit der Elektrode läßt sich mit Aktivkohle-Elektroden vergleichen, und ein 20.000-faches Entladen und Aufladen verringert das Energiespeichervermögen des Kondensators nur um 3 %.

Forscher der Florida State University um Ben Wang, Direktor des High Performance Materials Institute, berichten im Oktober 2008 über Fortschritte mit dem sogenannten Buckypaper, einem Vlies aus Kohlenstoff-Nanoröhren, das 500 mal stärker und zehnmal leichter ist als Stahl, wenn es in mehreren Lagen übereinander gelegt und zusammengepreßt wird.

Der Name geht auf eine Entdeckung aus dem Jahr 1985 zurück, als der britische Forscher Harry Kroto in einem Experiment an der Rice University in den USA Bedingungen erzeugte, wie sie in Sternen vorherrschen, um zu klären, wie dort Kohlenstoff entsteht. Unerwarteterweise kommt dabei ein Molekül aus 60 Kohlenstoffatomen heraus, das einem Fußball ähnelt und Kroto an jene geodätischen Kuppeln erinnert, die der Architekt Richard Buckminster Fuller entworfen hatte. Was Kroto dazu inspirierte, das neue Molekül Buckminster-Fulleren, oder kurz Buckyball zu nennen. 1996 bekommt Kroto, inzwischen an der Florida State University, gemeinsam mit zwei Kollegen den Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung. Aus Kohlenstoffatomen lassen sich allerdings nicht nur Bälle, sondern auch Röhren herstellen – eben jene Nanoröhrchen, aus denen auch das Buckypaper besteht.

Hergestellt wird es ähnlich wie normales Papier: Mit einem feinen Sieb filtert man das Material aus einer Flüssigkeit, welche die Röhrchen enthält. Damit diese nicht zusammenklumpen, was die Stabilität mindert, nutzen Wang und seine Kollegen starke Magnetfelder, damit sich die Röhrchen in eine Richtung orientieren. Das Geheimnis der Stärke des Nanopapiers besteht in der großen Oberfläche jeder einzelnen Nanoröhre. Ein Gramm Nanoröhrchen, zu Blättern auseinandergewickelt, würde etwa zwei Drittel eines Fußballplatzes bedecken. Bislang hat das Buckypaper allerdings nur einen Bruchteil seiner theoretisch möglichen Stabilität erreicht, außerdem ist die Herstellung teuer und bislang nur in kleinen Mengen möglich, weshalb die Wissenschaftler aus Florida auch an neuen Produktionstechniken arbeiten.

Die Einsatzmöglichkeiten des Materials, das eines der wichtigsten Werkstoffe der Zukunft werden könnte, sind vielfältig, da es zudem Strom und Wärme ähnlich gut leitet wie ein Metall. Elektroden für Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzellen sollen sich daher schon kurzfristig herstellen lassen, langfristig sind auch Auto-Karosserien, Flugzeuge und sogar militärische Panzerungen denkbar.

Ein weiteres MIT-Team um die Professorinnen Paula Hammond und Yang Shao-Horn berichten im Januar 2009 von der Entwicklung reiner und dichter Dünnschichten aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die sich als Elektroden für Hochleistungsbatterien und Superkondensatoren eignen. Der Verzicht auf zuvor verwendete Zusatzstoffe, um solche Filme zusammenzuhalten, verbessert die elektrischen Eigenschaften, einschließlich der Fähigkeit eine hohe Ladung zu speichern. Die Herstellung der neuen Nanoröhren-Folien erfolgt mit einer Technik, die als Schicht-für-Schicht-Anordnung (layer-by-layer, LBL ) bezeichnet wird, bei der zuerst Wasser-Lösungen von zwei Arten von Nanoröhren erzeugt werden: eine Art mit daran gebundenen positiv geladenen Molekülen, und eine andere mit negativ geladenen Molekülen. Wird dann ein sehr dünnes Substrat, beispielsweise ein Siliziumwafer, abwechselnd in beiden Lösungen getaucht, werden die Nanoröhren Aufgrund der Unterschiede in ihrer Ladung voneinander angezogen und halten ohne die Hilfe irgendeines Klebstoffes zusammen, wobei sie gleichmäßige und klumpenfreie Schichten bilden.

Die erhaltenen Filme können dann von dem Substrat abgelöst und in einer Wolke aus Wasserstoff ‚gebacken’ werden, um die geladenen Moleküle zu verbrennen und eine reine Matte aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu hinterlassen. Die Filme bestehen zu über 70 % aus Nanoröhren, der Rest ist leerer Raum, d.h. Poren, die verwendet werden können, um in zukünftigen Batterieelektroden Lithium- oder flüssige Elektrolyten zu speichern. Die Kapazität der MIT-Filme ist eine der höchsten jemals bei Kohlenstoff-Nanoröhren-Schichten gemessenen. Zur Beschleunigung des zeitaufwendigen Schicht-für-Schicht-Verfahrens entwickelt Hammond eine spezielle Spritztechnik, wie sie für den kommerziellen Einsatz notwendig sein wird. Bislang sind die Elektroden der MIT-Gruppe nur etwa 1 µm dick, während typische Modelle sonst 10 - 100 µm dick sind.

Das Team von Shao-Horn kann im Juni 2010 melden, daß es ihm inzwischen gelungen sei, Kohlenstoff-Nanoröhren erfolgreich auch als positive Elektrode einzusetzen. Normalerweise binden sich Lithium-Ionen nicht in reinen Kohlenstoff-Nanoröhren, weshalb die Außenflächen der Nanoröhren mit zwei verschiedenen Arten von sauerstoffhaltigen chemischen Gruppen versehen werden, die entgegengesetzte Ladungen aufweisen. Anschließend werden die Ausgangsmaterialien der Elektrode abwechselnd in Lösungen mit entgegengesetzt geladenen Nanotubes getaucht, wobei sich die übereinander legenden Schichten von Röhrchen letztlich zu einer Nanotube-Elektrode entwickeln. Das Ergebnis ist eine hochporöse Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektrode mit vielen Sauerstoffatomen auf der Oberfläche, die bereit sind, sich an Lithium zu binden. Ausführliche Tests zeigen, daß die neuen Batterien fünf Mal so viel Energie halten können wie Kondensatoren, und daß sie diese Energie auch zehn Mal so schnell wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien abgeben können. Das Forschungsteam arbeitet auch in den Folgejahren weiter an dieser Technologie, und im Januar 2013 erscheint ein weiterer Bericht, dem zufolge die Vakuum-assistierte Schicht-für-Schicht-Herstellung mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren (multi-wall carbon nanotubes, MWNTs) durch die o.g. Sprühtechnik inzwischen 600 Mal schneller geht.

Zurück zur Chronologie:

Im Februar 2009 melden die Fachblogs, daß ein Team von Forschern der Rice University einen Weg gefunden hat, um die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien durch das Verwenden von Arrays aus Manganoxid-Kohlenstoff-Nanoröhren (Coaxial manganese oxide/carbon nanotube, CNT) als Elektrodenmaterial zu verbessern. Die Nanoröhren werden so zum Wachstum gebracht, daß sie wie die leitenden Fasern eines Koaxial-Kabels aussehen und handeln. Jedes einzelne Röhrchen besteht aus einer Manganoxid-Schale und einem hoch leitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Hergestellt werden sie innerhalb poröser Aluminiumoxid-Vorlagen.

Forscher des Maryland NanoCenter an der University of Maryland um Prof. Gary Rubloff geben im März 2009 bekannt, ein 10 Mal effizienteres Speichersystem entwickelt zu haben, als alles, was gegenwärtig im Handel erhältlich ist. Die Energiespeicherdichte soll sich sogar um den Faktor 100 erhöhen.

Gemeinsam mit seinem Forschungspartner, Prof. Sang Bok Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hatte Rubloff eine Methode entwickelt, bei der Millionen oder sogar Milliarden nahezu identischer Nanostrukturen geschaffen werden, deren passend zugeschnittene Form Elektronen schnell von und zu den sehr großen Flächen transportieren, wo sie gespeichert sind. Eingesetzt werden bei der Herstellung ungewöhnliche Kombinationen natürlicher Verhaltensweisen (Selbstorganisation, Selbstbegrenzungs-Reaktion und Selbstausrichtung).

Unter Verwendung von Herstellungstechniken im atomaren Maßstab beginnt der Prozeß mit einer Aluminiumfolie, die anodisiert wird, um an ihrer Oberfläche in regelmäßigen Abständen bis zu 30 µm tiefe Nanoporen mit einem Durchmesser von 50 nm auszubilden. Als nächstes wird mittels Atomlagenabscheidung ein Sandwich aus zwei Schichten Titannitrid (TiN), die durch eine Isolationsschicht getrennt sind, in die Poren abgeschieden und abschließend mit einer weiteren Schicht aus Aluminiumfolie belegt. Die beiden äußeren Folienschichten wirken dabei als elektrische Kontakte.

Das Resultat sind elektrostatische Nanokondensatoren mit einer drastisch erhöhten Energiespeicherdichte. Die Forscher stellen einen Prototypen mit 125 µm breiten Gitteranordnungen her, die jeweils eine Million Nanokondensatoren enthalten. Der Superkondensator mit 10 Milliarden nanoskaligen Kondensatoren pro Quadratzentimeter hat eine 250 mal größere Oberfläche als die eines herkömmlichen Kondensators vergleichbarer Größe.

Nun soll die Technologie für die Massenproduktion weiterentwickelt werden. Dabei könnten mehrere Schichten der mit geringen Kosten hergestellten dünnen Energiespeicherplatten zu einem Auto-Batterie-System gestapelt werden. Auf längere Sicht sind auch neue Speichergeräte denkbar, die schon bei der Fertigung in Energie-einfangende Systeme wie Solarpaneele oder thermoelektrische Geräte integriert werden. Auf der Abbildung ist ein elektrostatischer Nanokondensator zu sehen, der durch eine abwechselnde Atomlagenabscheidung von Metall (blau), Isolator (gelb) und wiederum Metall in einer nanoporösen anodische Aluminiumoxidschicht (dunkelgelb) gebildet wurde, nebst einem Querschnitt der tatsächlichen Struktur.

Im August 2009 berichten Forscher der Rice University in Houston um Bob Hauge über ein Verfahren zur Herstellung von Bündeln einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren (single-walled carbon nanotubes, SWNTs), die sie Odako nennen. Der Name ist von den riesigen traditionellen japanischen Drachen abgeleitet, denen sie aufgrund der vielen, von den Odako-Bündeln herunterhängenden ‚Leinen’ ähneln, wie man auf der Abbildung gut sehen kann. In diesem Fall sind die Leinen oder Leitungen Hohlzylinder aus reinem Kohlenstoff, die einzeln ein Vielfaches kleiner sind als eine lebende Zelle. Mit dem neuen Verfahren sollen sich meterlange Stränge von Nanoröhren herstellen lassen, nicht breiter als ein Stück DNA, die in leichten Batterien, Brennstoffzellen und der Mikroelektronik Einsatz finden können, ebenso wie bei super-effizienten Stromübertragungsleitungen und in ultra-starken und blitzbeständigen Materialien für Flugzeuge.

Der Herstellungsprozeß beginnt mit demselben Druckvorgang, den das US-Finanzministerium einsetzt, um Papiergeld zur Erschwerung von Fälschungen mit eindeutigen Markierungen zu versehen, indem auf einer Mylar-Rolle dünne Schichten von Eisen und Aluminiumoxid aufgetragen werden. Die Schichten werden dann entfernt und zu kleinen Flocken zermahlen. Anschließend werden diese Metallplättchen in einem Maschenkäfig in einen Ofen eingebracht, wo sie abheben und in einem strömenden chemischen Dampf ‚fliegen’. Sobald sie dies tun, wachsen von den Eisenpartikeln aus vertikale Arrays von Nanoröhren in engen, waldähnlichen Formationen. Und wo andere Methoden, um SWNTs wachsen zu lassen, ein armseliges Verhältnis von 0,5 % Nanoröhrchen auf den Trägermaterialien erbringen, erreicht die neue Technik eine Ausbeute bis zu unglaublichen 400 %, was Hoffnungen auf eine großtechnische Umsetzung weckt.

Bei seinen jüngsten Forschungsschritten ersetzt das Team das Mylar durch reinen Kohlenstoff, was dazu führt, daß die wachsenden Nanoröhren das Eisen- und Aluminiumoxid, aus dem sie sprießen, buchstäblich anheben, während ihre anderen Enden fest an den Kohlenstoff gebunden bleiben. Und während das Rohrbündel höher wächst, wird der Katalysator zu einem Drachen, der in der Wasserstoff- und Acetylen-Brise fliegt, die durch die Produktionskammer strömt. Die Forschungsgruppe hofft nun, daß ihre Arbeit sie zum heiligen Gral des Nanoröhrchen-Wachstums führt: Zu einen Katalysator, der nicht vergeht, so daß die Öfen Endlosfäden des Materials ausspucken können, die dann verwebt werden.

Im September 2009 folgt die Meldung, daß Forscher der Stanford University, des Ulsan National Institute of Science and Technology und der Hanyang University in Ansan, Korea, in Zusammenarbeit mit der koreanischen Firma LG Chem Elektroden aus Silizium-Nanoröhren entwickeln, die als Anoden viel mehr Energie speichern können als herkömmliche Graphitelektroden.

Silizium-Anoden haben eine höhere Energie-Speicherkapazität als herkömmliches Graphit, weil das Material gewichtsmäßig 10 Mal mehr Lithium aufnehmen kann, als Graphit-Kohlenstoff. Dies führt allerdings zu einer vierfachen Volumenzunahme, was ein Nachteil sein kann, denn die mechanische Belastung ist für das spröde Material so groß, daß Silizium-Anoden dazu neigen zu brechen, nachdem sie nur ein paar Mal auf- und entladen worden sind. Das Team um die Professoren Yi Cui und Jaephil Cho konzentriert sich daher auf nanostrukturiertes Silizium, das diesen Belastungen besser standhalten kann. Die beteiligten Gruppen hatten zuvor Silizium-Nanodraht-Anoden und nanoporöse Silizium-Anoden entwickelt. Nun wird zusammengearbeitet, um Silizium-Nanoröhren-Anoden zu entwickeln, die eine bessere Speicherkapazität haben als die der anderen nanostrukturierte Silizium-Materialien.

Die neue Anode sieht aus wie ein Bündel hohler Halme. Während Silizium-Nanodrähte nur an ihrer Oberfläche mit Lithium interagieren, haben Nanoröhren mehr exponierte Oberfläche im Inneren – und damit viel mehr Platz für die Reaktionsstellen als andere Arten von Materialien. Die neue Form hilft dabei, die mechanische Belastung zu reduzieren, wenn die Batterie geladen und entladen wird, weil es mehr Platz für das Silizium gibt, um sich ausdehnen und zusammenziehen. Die sehr einfache Herstellung der Silizium-Nanoröhren erfolgt durch wiederholtes Eintauchen einer im Handel erhältlichen Aluminium-Vorlage in eine Silizium-Lösung, dem Erhitzen und Ätzen der Struktur in Säure, um das Aluminium zu entfernen. Gemeinsam mit LG Chem arbeitet Cho in Kooperation mit dem Vorlagen-Hersteller an einer für die Großserienfertigung kompatiblen Vorlage und hofft, Batterien mit Nanoröhren-Elektroden in drei Jahren auf dem Markt bringen zu können. In Zusammenarbeit mit LG Chem entwickeln Cui und Cho auch neue Kathodenmaterialien.

Im November 2009 geht eine sehr interessante Meldung durch die Fachpresse. Ein Team von Prof. Prabhakar Bandaru und Doktorand Mark Hoefer an der University of San Diego (UCSD) hat nämlich entdeckt, daß Kohlenstoff-Nanoröhren nicht perfekt sein müssen, um einen ordentlichen Job zu tun. Es stellt sich heraus, daß defekte Kohlenstoff-Nanoröhren Energie sogar noch effektiver speichern können, als ihre fehlerlosen Entsprechungen. Der Trick liegt in der Schaffung von genau der richtigen Menge von Defekten – genug, um zusätzliche Ladungsstellen auf der Nanoröhre zu schaffen, aber nicht genug, um die elektrische Leitfähigkeit zu brechen. Die Steuerung der Defekte und das dadurch bedingte Erhöhen oder Senken der zugehörigen Ladung gelingt durch das Aussetzen der Nanoröhren den Gasen Argon oder Wasserstoff. Der Weg zu einer Kommerzialisierung sei den Forschern zufolge aber noch lang.

Das theoretische Konzept für einen, dem o.g. Rubloff-Modell sehr ähnlichen Energiespeicher aus Milliarden Nanokondensatoren, dessen Energiedichte zwei- bis zehnmal größer sein soll als in den besten Lithium-Ionen-Akkus, wird von den Physikern Alfred W. Hübler und Onyeama Osuagwu von der Universität von Illinois entwickelt und im Dezember 2009 veröffentlicht. Die zu erwartende Leistungsdichte sei sogar um mehrere Zehnerpotenzen größer. Sollte das Konzept der digitalen Quantenbatterie realisierbar sein, bei dem die Wissenschaftler von einer konsequenten Ausnutzung der Quantenmechanik ausgehen, könnten damit ganz neue, äußerst leistungsfähige Energiespeicher möglich werden, die nicht der Gefahr einer Bogenentladung unterliegen, wie es bei herkömmlichen Kondensatoren geschieht, sobald die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Denn wenn die Elektroden nur 10 Nanometer oder 100 Atomlagen voneinander entfernt sind, werden Quanteneffekte wirksam, die eine Bogenentladung verhindern. Hübler zufolge ist der Haupteffekt bei der digitalen Quantenbatterie der photoelektrische Effekt bei Raumtemperatur im Dunkeln.

Ein weiterer Vorteil des Konzepts sei, daß digitale Quantenbatterien mit herkömmlichen photolithographischen Verfahren wie in der Chipfertigung hergestellt werden können. Dabei werden billige und nicht-toxische Materialien wie Wolfram und Eisen auf einem Silizium-Substrat verwendet. Ansonsten kann der Ansatz als Variation bestehender mikroelektronischer Konstruktionen angesehen werden: „Von der Digitalelektronik aus betrachtet, ist es eine Art Flash-Speicher, elektrotechnisch könnte man es für eine miniaturisierte Elektronenröhre wie in Plasma-Fernsehern halten, und ein Physiker würde es als ein Netzwerk von Kondensatoren bezeichnen.“ Der digitale Charakter des Konzepts besteht darin, daß jede Nanoelektronenröhre einzeln ansteuerbar wäre, weshalb man das Gerät womöglich auch als Datenspeicher verwenden könnte. Ein erster Prototyp soll schon in einem Jahr gebaut werden, sofern die Forschungsbehörde DARPA des US-Verteidigungsministeriums die beantragte Förderung bewilligt.

Ein weiteres Team der Stanford University, in dem Prof. Yi Cui aktiv ist, stellt im Dezember 2009 Akkumulatoren aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Silber-Nanodrähten mit Papier als Trägermaterial vor, welches sich dank seiner Porosität besser als Kunststoff eignen soll. Bei der schnellen Herstellung der ultra-leichten Akkus wird das Nanomaterial als Tinte aufgebracht, wobei die Nanoröhrchen Halt in den Papierporen finden. Dadurch wird der Papierakku sehr biegsam, und selbst Zerknüllen soll ihm nichts anhaben können.

Derzeit liefert der Papierakku im Labor zwar gerade genug Energie zum Betreiben einer LED, aber dank der hohen Leitfähigkeit und großen inneren Oberfläche könnte er zukünftig auch als Kurzzeitspeicher in Elektrofahrzeugen Einsatz finden. Mit rund 7,5 Wh/kg liegt der Papierakku deutlich unter der Energiedichte von etwa 30 Wh/kg bei Blei-Gel-Akkus, doch betrachtet man ausschließlich die aktive Masse, dann klettert der Papierakku auf rund 40 Wh/kg. Noch interessanter ist, daß der neue Akku bis zu 40.000 Zyklen erreichen soll, wo gewöhnliche Akkus nur einige Hundert bis Tausend Zyklen schaffen. Außerdem sind die Papierakkus anders als ihre Li-Io- oder Blei-Pendants leicht zu entsorgen. Ein großes Anwendungspotential wird in Energiespeicher-Tapeten gesehen.

Schon im Januar 2010 wird gemeldet, daß die Forscher nun auch sehr robuste Stromspeicher aus Stoff gefertigt hätten, da die neuere Entwicklung der leitenden ‚eTextilien’ ein großes Anwendungspotential erwarten läßt. Eine Vision sind beispielsweise Akku-T-Shirts, denn mit einer Energiedichte von 20 Wh/kg könne ein Stück Stoff mit dem Gewicht eines T-Shirts bis zu dreimal so viel Strom speichern wie eine Handy-Batterie. Die eTextilien könnten aber auch zur Energieversorgung tragbarer Gesundheitsmonitoring-Systeme genutzt werden. Das US-Militär wiederum prüft den Einsatz von Energiespeichertextilien als Möglichkeit, am Gewicht zusätzlich mitgeführter Akkus zu sparen.

Immerhin lassen sich die Stromspeichertextilien auf mehr als die doppelte Länge strecken und überstehen auch das Waschen problemlos. Den Schlüssel zu ihrer extrem einfachen Herstellung bilden ebenfalls Nanostrukturen, die durch Eintauchen in eine SWNT-Tinte, die bestimmte Oxidpartikel wie Lithiumkobaltoxid enthält, und anschließendes Trocknen entstehen.

Forscher von der Luftfahrtabteilung am Imperial College London (ICL) um Emile Greenhalgh berichten im Februar 2010 von der Entwicklung eines neuen Materials aus Kohlenstoff-Fasern und Polymerharzen, das einerseits Strom speichern kann, andererseits aber auch so biegsam, fest und leicht ist, daß es sich zum Bau von Autoteilen eignet, die im Vergleich zu herkömmlichen Karosserieteilen aus Stahl auch noch um rund 15 % leichter wären.

Das dreijährige STORAGE-Projekt (Composite structural power storage for hybrid vehicles), an dem neben dem ICL und dem Automobilhersteller Volvo auch noch acht weitere europäische Firmen und Institute aus Belgien, Deutschland, Griechenland, Schweden und dem Vereinigten Königreich beteiligt sind, wird innerhalb des Themenbereichs Verkehr des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7) mit 3,37 Mio. € finanziert. Es war im Januar gestartet.

Der bereits patentierte Verbundwerkstoff soll mehr Energie speichern und sich schneller laden und entladen lassen als herkömmliche Batterien, da das Material keine chemischen Prozesse verwendet. Zudem soll eine längere Lebensdauer und eine höhere Anzahl an Ladezyklen erreicht werden. Die Forscher betrachten das Material daher nicht wirklich als eine Batterie, sondern eher als einen Superkondensator. Der Prototyp ist rund 10 x 10 cm groß und hauchdünn, und es dauert fünf Sekunden, um ihn mit einem normalen Netzteil aufzuladen, worauf er eine LED für 20 Minuten betreiben kann.

In den kommenden drei Jahren soll das Material weiterentwickelt und seine Speicherfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften optimiert werden, was durch die Bildung von Nanoröhrchen auf der Oberfläche der Kohlenstoff-Fasern erreicht werden soll. Anschließend will man sich der industriellen Herstellbarkeit von Karosserieteilen als Elektroauto-Batterie widmen. In einem Pilotversuch wird gemeinsam mit Volvo eine sogenannte Reserveradmulde im Kofferraumboden eines Hybrid-Fahrzeugs aus diesem Speichermaterial hergestellt, wobei der dort gespeicherte Strom die Antriebsbatterie des Fahrzeugs entlasten soll. Die Forscher gehen aber davon aus, daß der Werkstoff innerhalb von zehn Jahren auch für Gehäuse von beispielsweise Mobiltelefonen und Laptops verwendet werden kann, um deren Batterien zu ersetzen, ebenso wie der Einsatz im militärischen Bereich erwogen wird.

Tatsächlich meldet Volvo im Oktober 2013, daß man zwischenzeitlich eine Kofferraumklappe und eine Motorabdeckung entwickelt habe, die nun in einem Volvo S80 getestet werden. Die neue Motorabdeckung aus einer Verbindung von Kohlefasern, Nanostruktur-Batterien und Super-Kondensatoren, wie es nun heißt, kann die für die Stabilität wichtige Querstrebe in der Fahrzeugfront sowie die Starterbatterie ersetzen. Dabei ist die neue Lösung 50 % leichter und leistungsfähig genug, um das 12 V Bordsystem mit Energie zu versorgen. Geladen wird das Material durch Bremsenergierückgewinnung oder durch die Verbindung mit dem Stromnetz.

Die Illuminex Corp. in Lancaster, Pennsylvania, wird bereits 2003 von dem Nano-Physiker Youssef ‚Joe’ M. Habib, einem MIT-Fellow, gegründet. Es gelingt ihr allerdings erst im Juli 2010 in einer Finanzierungsrunde A einen Betrag von 500.000 $ von nicht genannten Investoren einzunehmen (vermutlich von Alteon Capital Partners). In Kombination mit mehreren Staats- und Bundesforschungsstipendien sollen diese Mittel die Arbeit des Unternehmens mehr als ein Jahr lang tragen, um die Entwicklung und Vermarktung funktioneller Nanomaterialien für Bereiche wie Lithium-Ionen-Batterien, Wärmerohre (heat pipes) und die Photovoltaik zu beschleunigen.

Grundlage von Illuminex sind neue und kostengünstige Verfahren zur Herstellung von Nanodraht-Arrays auf Low-Cost-Substraten unter Verwendung von Aluminium, die auch für eine Massenproduktion leicht skalierbar sein sollen. Das Unternehmen fertigt Nanodrähte aus einer breiten Palette von Materialien und mit Durchmessern von 20 – 900 nm, Längen von 10 nm – 200 µm und einem Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten Nanodrähten vom ein- bis fünffachen ihres Durchmessers. Für den Einsatz als Anoden in Hochleistungs-Li-Io-Batterien werden Kupfer-Silizium-Nanoverbundwerkstoffe hergestellt, die wesentliche Vorteile gegenüber Graphit oder anderen Anodenmaterialien haben. Bislang wurde ein Patent unter dem Namen ‚Metallische Nanodraht-Arrays und Methoden für die Herstellung und Verwendung’ erteilt (US-Nr. 7.713.849), weitere 11 Patente sind angemeldet.

Inzwischen scheint das Unternehmen allerdings völlig von der Bildfläche verschwunden zu sein.

Im August 2010 veröffentlicht eine Forschergruppe der TU Chemnitz um Prof. Oliver G. Schmidt und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden) den Bericht über die Entwicklung eines ultra-kompakten Energiespeichers im nanoskaligen Bereich. Da handelsübliche Batterien aus aufgewickelten Schichten bestehen, lassen sie sich nur begrenzt verkleinern, denn das Aufwickeln der Lagen funktioniert lediglich auf makroskopischer Ebene.

Um diese Begrenzung in der Miniaturisierung aufzuheben, werden auf einer flachen Unterlage abwechselnd dünne Lagen aus metallischen und dielektrischen Materialien aufgebracht, wobei ein Schichtsystem entsteht, das in sich hoch verspannt ist. Durch das gezielte Ablösen der dünnen Lagen kann diese mechanische Verspannung freigesetzt werden, so daß sich die Schichten von selbst zu einem ultrakompakten Energiespeicher aufrollen. Dadurch lassen sich extrem kompakte Energieeinheiten fertigen, die pro Fläche eine mehr als zweimal so große Energiemenge speichern können, wie mit herkömmlichen Technologien. Sehr vorteilhaft ist auch, daß der Herstellungsprozeß extrem einfach ist und fast von selbst funktioniert, indem die sogenannte Selbstorganisation mit produktionsreifen Technologien verbunden wird.

Zur Anwendung gelangen hybride Materialien, wodurch unterschiedliche Werkstoffe verbunden werden können, etwa Metalle und Isolatoren, aber auch organische Stoffe wie Polymere oder ultradünne Molekül-Lagen. Durch die Kombination verschiedener Materialien wird eine enorme Steigerung der Speicherfähigkeit erreicht. Die Batterien können deshalb auch bei Anwendungen eingesetzt werden, wo schnell viel Leistung gefragt ist, etwa für winzige Elektromotoren oder für den Antrieb von autonomen Systemen, wie kleinen Robotern. Ebenso könnten die Mini-Batterien auch für die lokale Energieversorgung von Silizium-Chips verwendet werden.

Eine weitere Vision ist der Einsatz im so genannten smart dust - dem ,Intelligenten Staub’. Unter diesem Begriff werden winzige Sensorsysteme verstanden, nicht größer als Staubkörner, die zum Beispiel zur Temperaturmessung in Wirbelstürmen eingesetzt werden können oder mit Zugvögeln auf die Reise gehen, um den Temperaturverlauf der Strecke zu verfolgen. Bis zur Anwendungsreife sind den Wissenschaftlern zufolge allerdings noch rund fünf Jahre erforderlich.

Im Dezember 2010 behaupten Forscher am Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) der Sandia National Laboratories um Jianyu Huang, die bislang kleinste wieder aufladbare Lithium-basierte Batterie der Welt hergestellt zu haben. Sie besteht aus einer 3 mm langen Lithium-Kobalt-Kathode und einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt, und hat als Anode einen einzelnen Zinn-Oxid-Nanodraht von 10 nm Länge und einem Durchmesser von 100 nm, was sieben Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Die Batterie ist so klein, daß sie innerhalb eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) hergestellt werden muß – was jedoch gleichzeitig erlaubt, das Laden und Entladen der Batterie in Echtzeit und auf atomarer Auflösung untersuchen zu können. Indem sie der Wanderung der Lithium-Ionen entlang des Nanodrahtes folgen, finden die Forscher heraus, daß sich die Länge des Zinnoxid-Nanodrahts während des Ladevorgangs fast verdoppelt. Dies ist weit mehr als die Zunahme des Durchmessers und könnte dazu beitragen, die Batterielebensdauer verkürzende Kurzschlüsse zu vermeiden, denn dieser unerwartete Befund widerspricht der bisherigen Überzeugung, daß die Batterien über ihre Durchmesser aufquellen, und nicht in Längsrichtung. Die Forscher taufen den Bereich, wo die hohe Dichte der mobilen Dislokationen bewirken, daß sich der Nanodraht zu biegen und zu wackeln beginnt, die ‚Medusa Front’. Das Netz von Dislokationen wird durch das Eindringen des Lithiums in das Kristallgitter verursacht.

Die Prüfung der Lade- und Entladevorgänge eines einzelnen Nanodrahts auf atomarer Ebene war bislang nicht möglich, da es das Hochvakuum in einem TEM schwierig macht, einen flüssigen Elektrolyten zu verwenden. Huangs Gruppe überwindet dieses Problem durch den Nachweis, daß eine ionischen Flüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck – im wesentlichen geschmolzenes Salz – in der Vakuum-Umgebung funktioniert. Dies bedeutet, daß die Experimente auch auf andere Materialsysteme ausgedehnt werden können, und sowohl für Kathoden als auch Anoden. Die Finanzierung der Forschungsarbeiten erfolgt durch das Sandia-eigene Directed Research and Development Office, dem Department of Energy und dem Energy Frontier Research Centers program.

Im Januar 2011 berichten Forscher der Rice University in Houston, Texas, daß sie der Entwicklung stabiler, dreidimensionaler und schnell ladender Mikrobatterien einen Schritt näher gekommen sind. Auch diesmal soll es sich im die kleinste Batterie der Welt handeln – die sechs Mal dünner ist als ein Bakterium.

Ihre 3D-Batterien verwenden vertikale Arrays aus Nickel-Zinn-Nanodrähten als Anode, die komplett von dem Polymer Polymethylmethacrylat (PMMA) ummantelt sind, der allgemein als Plexiglas bekannt ist. Die Kathode der besteht aus Polyanilin, und als Elektrolyt dient Polyethylenoxid.

Die Wissenschaftler hatten einen Weg gefunden, um einzelne Nanodrähte zuverlässig mit einer glatten Schicht aus einem Gel-Elektrolyten auf PMMA-Basis zu umhüllen, der die Drähte von der Gegenelektrode isoliert, während er gleichzeitig erlaubt, daß Ionen passieren. Sie lösen damit ein schon lange bestehendes Problem, ultradünne Elektrolytschichten rund um nanostrukturierte Elektrodenmaterialien zu legen. Die Kunst dabei ist, eine konforme Schicht über weite Strecken zu erzielen, da schon kleine Lücken in der Beschichtung die Funktion zerstören würden.

Der Speicher selbst besteht aus vielen Nanodrähten, die je einen Durchmesser von 150 nm haben. Die Anordnung selbst ist etwa 50 µm groß und damit gerade noch sichtbar. Indem die Höhe der Nanodrähte gesteigert wird, kann die gespeicherte Energiemenge erhöht werden, während der Lithium-Ionen-Diffusionsabstand konstant bleibt.

Das Team stellt den Prototyp einer Nano-Batterie her, deren Kapazität allerdings bereits nach 20 Ladezyklen nachläßt, weshalb die Wissenschaftler weiter forschen werden um die Leistungs-Kapazität zu verbessern. Immerhin belegen elektronenmikroskopische Aufnahmen, daß die PMMA-Hülle auch nach vielen Lade/Entlade-Zyklen keine Brüche zeigt. Der Nano-Akku soll nach seiner Ausreifung beispielsweise medizinische Implantate, chemische und biologische Sensoren oder auch Nanoroboter, die im menschlichen Körper eingesetzt werden, mit Strom versorgen.

Eine Forschungsgruppe um Prof. Nikhil Koratkar am Rensselaer Polytechnic Institute veröffentlicht ebenfalls im Januar einen Bericht über die Entwicklung eines neuen Materials, das sehr hohe Lade- und Entladezyklen erlaubt. Der Erfolg des aufgrund seiner Form, die einem Kegel mit einer Kugel Eis darauf gleicht, Nanoscoops genannten Materials liegt in seiner einzigartigen Materialzusammensetzung, Struktur und Größe. Das Forschungsteam demonstriert eine Nanoscoop-Elektrode, die 40 bis 60 mal schneller als herkömmliche Akku-Anoden aufgeladen und entladen werden kann, und dies bei einer vergleichbaren Energiedichte. Die Arbeiten werden von der National Science Foundation (NSF) und der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) unterstützt.

Im März informieren Wissenschaftler des Institut für Nanotechnologie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) um Maximilian Fichtner, daß sie einen völlig neuen Ansatz für die Batteriearchitektur und die verwendeten Materialien bei Lithium-Ionen-Akkus entwickelt hätten, der enorme Verbesserungen in der gespeicherten Energiemenge und den Kosten verspricht.

Das Team setzt auf völlig neue Eisen-Kohlenstoff-Materialien, mit deren Hilfe sich deutlich mehr Energie auf kleinem Raum speichern läßt. Bei dem zum Patent eingereichten neuen Verfahren werden unterschiedliche Ausgangsmaterialien mit einem Lithiumsalz vermischt und dann gemeinsam erwärmt. Dabei bildet sich eine komplett neue Nanostruktur aus, die zusätzlich von Kohlenstoffdrähten durchzogen ist, die dabei ebenfalls entstehen. Damit bilden sich nanoskalige Speichereinheiten und Leiterbahnen quasi in einem Schritt.

Die spezifische Kapazität des neuen Materials liegt beim Doppelten der derzeitigen Batterien, die Herstellung ist einfach und kostengünstig, und die hohe Kapazität der Eisen-Kohlenstoffelektrode bleibt sehr lange erhalten. Das sie bislang aber noch nicht zyklenstabil ist, sind weitere Forschungen von Nöten.

Im gleichen Monat berichtet ein Forscherteam um Prof. Lei Zhai an der University of Central Florida (UCF) von Fortschritten mit neuen Materialien für die Herstellung von Batterien. Nach unzähligen Versuchen mit Substanzen wie Schlamm, Kaffee oder Wasser landen sie schließlich bei dem weltweit leichtesten Feststoff namens Aerogel, der auch als gefrorener Rauch bezeichnet wird.

Die ultraleichten Aerogele, die bis zu 99 % aus Luft bestehen können, waren 1931 von dem amerikanischen Chemiker Steven Kistler entdeckt worden, gerieten danach aber bis in die 1970er Jahre in Vergessenheit. Anscheinend nicht überall, denn das Material soll in den 1960er Jahren zur Isolation von Raumanzügen eingesetzt worden sein. 1997 schützte ein Aerogel auch die empfindliche Elektronik des Marsrovers. Weiterentwickelt wurde das Material dann im Jahr 2001 an der University of Oklahoma. Damals wurde ein Block aus Zelluloseacetat mit zweieinhalb Zentimeter Kantenlänge vorgestellt, der kaum mehr als ein Gramm wiegt und dennoch so stabil ist, daß er nur mit einem Hammer zerbrochen werden kann.

Aerogele können aus den verschiedensten Materialien wie Kieselerde, Metallen oder organischen Substanzen hergestellt werden. Der Grundstoff wird in Wasser und Alkohol gelöst, und beim anschließenden Eintrocknen wird unter hohem Druck Gas zugeführt, so daß das Aerogel nicht zusammenfällt. Auf diese Weise entsteht ein poröses, durchscheinendes und extrem leichtes Material, das zugleich bis zum 2.000-fachen seines eigenen Gewichtes tragen kann. Nachdem Aerogele anfänglich ziemlich trocken und daher starr und brüchig waren, was ihre Verarbeitung jahrzehntelang erschwerte, gelingt es NASA-Forschern aus Ohio, flexible Aerogele zu entwickeln, indem sie Polyimide statt Kieselsäure verwenden. Wissenschaftler um Tobias Schaedler von der HRL Laboratories Limited Liability Co. in Malibu wiederum präsentieren im November 2010 ein ultraleichtes Material aus einem feinen Gitternetz einer Nickel-Phosphor-Verbindung, das zu 99,99 % aus Luft besteht und neben seiner Funktion Wärmeisolierung oder Schalldämmung auch als Bestandteil von Batterien dienen kann.

Die UCF-Forscher wollen mit ihrem neuen Aerogel, das sogenannte Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNT) enthält, welche einzeln jeweils um ein Tausendfaches dünner sind als ein menschliches Haar, nun Batterien und Superkondensatoren herstellen. Aufgrund der großen Oberflächen im Inneren des Materials, bedingt durch die Vielzahl der enthaltenen Nanoröhrchen, sind daraus hergestellte Akkus in der Lage, wesentlich mehr Energie zu Speichern als herkömmliche Batterien. Ein weiterer Vorteil der Nano-Struktur mit einer Dichte von 4 mg/cm³ ist, daß zum ersten Mal selbst kleinste Druckänderungen innerhalb der Batterie erfaßt und verfolgt werden können. (Siehe dazu: Aerographit unter Graphit-Batterie).

Die dritte Meldung im März 2011 stammt von der University of Illinois in Urbana-Champaign, wo eine Gruppe um Prof. Paul V. Braun einen neuartigen Akku vorstellt, der dank dreidimensionaler Nanostrukturen in der Lage sein soll, die Ladezeiten enorm zu verkürzen. Da die Grundlage ein dünner Film ist, habe ich diese Entwicklung bereits unter Dünnschicht-Batterie behandelt (s.d.).

Im Mai meldet die Fachpresse, daß Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen (UDE) um Prof. Christof Schulz Nanomaterialien produzieren können, die den Energie-Inhalt von Lithium-Ionen-Batterien um 15 % steigern und die Kosten dafür gleichzeitig um 7 % senken sollen. Eingebettet in eine Matrix aus Kohlenstoff verbessern winzige Silizium-Partikel in den Elektroden Speicherdichte und Leistung der Batterien. Unter der Leitung des Center for Nanointegration (CeNIDE) arbeiten die über 50 Forscher des NanoEnergieTechnikZentrum (NETZ) an einem nanoskaligen Silizium-Kohlenstoff-Kompositmaterial für die Elektroden von Li-Io-Batterien. Lange Zeit fehlte es an ausreichenden Mengen von Nano-Material, um neue Technologien zu testen oder gar zu produzieren, und erst seit 2009 steht im Duisburger Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) eine Anlage zur Herstellung kleinster Partikel mit definierten Eigenschaften im Kilogramm-Maßstab, so auch die nanoskaligen Siliziumpartikel, die die CeNIDE-Forscher verwenden. Die Industrialisierung der Prozesse soll innerhalb der nächsten zwei Jahre erfolgen.

An Germanium-Nanoröhrchen für deutlich leistungsfähigere Akkus arbeiten koreanische Forscher um Jaephil Cho am Ulsan National Institute of Science and Technology, wie im August 2011 gemeldet wird.

Cho hatte zuvor mit dem  Batteriehersteller LG Chem zusammen Elektroden aus Silizium-Nanoröhren entwickelt (siehe oben: September 2009). Die neuartige Anode soll die dreifache Ladungsmenge herkömmlicher Graphit-Anoden vertragen und sich bis zu fünfmal schneller laden lassen als Silizium-Anoden. Im Labor hält das Material bereits 400 Ladezyklen durch.

Hergestellt werden die Nanoröhrchen, indem Antimon-beschichtete Germanium-Nanodrähte fünf Stunden lang auf 700°C erhitzt werden, wobei die Germanium-Atome nach außen diffundieren und hohle Nanoröhrchen mit einer Wandstärke von 40 Nanometern bilden. Der Prozeß soll sich leicht hochskalieren lassen und sich auch für Silizium eignen. Ein Problem sind die höheren Kosten für Germanium, doch Cho rechnet damit, daß das zunehmende Interesse an Germanium-Anoden die Materialkosten senken wird.

Im November 2011 erhält eine Publikation der Stanford University viel Presse, in der es um die Entwicklung kristalliner Nanopartikel aus Kupfer-Hexacyanoferrat geht, die eine offene Gefügestruktur mit extrem niedriger Spannungsbelastung haben und als Batterieelektrode in preiswerten wässerigen Elektrolyten betrieben werden können. Die atomare Struktur der Kristalle in der neuen Elektrode erlaubt es den Ionen, sich leicht hinein und hinaus zu bewegen (die meisten Batterien versagen durch die kumulierten Schäden an der Elektroden-Kristallstruktur, welche von den Bewegungen der Ionen verursacht werden). Da sich die Ionen so frei bewegen können, sind auch die Lade- und Entladezyklen der neuen Elektrode extrem schnell, die hauptsächlich aus den reichlich vorhandenen und billigen Materialien Natrium und Kalium besteht.

Die Forscher beginnen mit dem Pigment Preußischblau, einer Eisen- und Cyanid-Verbindung. Sie ersetzen die Hälfte des Eisens durch Kupfer und machen aus der erhaltenen Verbindung kristalline Nanopartikel, mit denen ein Stoff-ähnliches Kohlenstoffsubstrat ummantelt wird. Anschließend wird diese Elektrode in eine Elektrolytlösung aus Kaliumnitrat getaucht.

Im Labor von Prof. Yi Cui werden nach 40.000 Tiefentladungszyklen immer noch 83 % der ursprünglichen Kapazität erzielt, und bei moderaten Stromdichten kann eine Hin- und Rückenergieeffizienz von 99 % erreicht werden. Bei mehreren Zyklen pro Tag wird daher mit einer Nutzungsdauer von gut 30 Jahren gerechnet. Die ausgezeichnete Leistung der kostengünstigen, skalierbaren und bei Raumtemperatur funktionierenden Elektrode macht diese auch für große Energiespeichersysteme attraktiv. Allerdings nur als Hochspannungselektrode für die Kathode – weshalb die Forscher noch ein passendes, anderes Material für die Niederspannungselektrode der Anode finden müssen, bevor sie eine tatsächliche Batterie bauen können.

Dies gelingt dem Team, Berichten vom Oktober 2012 zufolge, durch die Verwendung einer Anode aus Aktivkohle und einem leitfähigen Polymer. Nun soll ein Batterie-Prototyp gebaut werden, der 1.000 Ladezyklen ohne Kapazitätsverlust und Abbau standhält.

Prof. Ulrich Wiesner und sein Team an der Cornell University in Ithaca, New York, melden im April 2012 die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung poröser Metallfolien für Elektroden, die aufgrund ihrer großen Fläche für chemische Reaktionen im Vergleich zu früheren Versionen eine 1.000 mal bessere elektrische Leitfähigkeit besitzen.

Dabei können außerordentliche Steuerniveaus der Nanostruktur, Funktionalität und Zusammensetzung erreicht wurden. Grundlage der neuen Methode ist der bereits gut bekannte Sol-Gel-Prozeß, bei dem spezifische Siliziumverbindungen mit Lösungsmitteln vermischt werden und sich daraufhin selbständig zu wabenförmigen Siliziumdioxid-Strukturen (z.B. Glas) mit Poren im Nanometer-Bereich montieren.

Die Herausforderung für die Forscher war die ausreichend hohe Zugabe von Metall, um die poröse Struktur zu einem guten elektrischen Leiter zu machen. Doktorand Scott Warren (inzwischen Forscher an der Northwestern University) hat nun die Idee, eine Aminosäure zu verwenden, um die Siliziumdioxid-Moleküle mit den Metallatomen zu verknüpfen. Ihm war aufgefallen, daß die beiden Enden des Aminosäuremoleküls gleichermaßen von Metallen und Siliziumdioxid-Molekülen angezogen werden. Das Ergebnis ist eine Nanostruktur aus Siliziumdioxid, Metall und Kohlenstoff mit mehr Metall als je zuvor, was zu der starken Erhöhung der Leitfähigkeit führt. Im Labor werden nun selbstorganisierte metallhaltige Filme hergestellt, die im Wesentlichen aus Glas bestehen, in welchem die unterschiedlichen Metallatome suspendiert sind, was auch die verschiedenen Farben erklärt.

Im April 2012 meldet ein weiteres Stanford-Team um Prof. Cui, das mit dem SLAC National Accelerator Laboratory zusammenarbeitet, daß es eine Lösung für das Problem von Siliziumanoden gefunden habe, die statt Graphit verwendet werden, da sie 10 mal mehr Ladung speichern, deren Struktur jedoch nach ein paar Lade/Entlade-Zyklen aufplatzt und zerbröckelt, wodurch der Akku unbrauchbar wird.

Erfolg verspricht nun eine ausgeklügelte doppelwandige Nanostruktur, die nach mehr als 6.000 Zyklen eine Restkapazität von  85 % erreicht, was weit mehr ist, als es für Elektrofahrzeuge oder mobile Elektronik benötigt wird. Die Ergebnisse von fünf Jahren Forschungsarbeit zur Verbesserung der Haltbarkeit von Silizium-Anoden waren ihre Herstellung aus Nanodrähten und hohlen Silizium-Nanopartikeln. Der jüngste Entwurf besteht nun aus einer doppelwandigen Silizium-Nanoröhre, die mit einer dünnen Schicht aus Siliziumoxid beschichtet ist, einem sehr harten keramischen Material. Diese starke äußere Schicht verhindert, daß sich die Außenwand der Nanoröhre ausdehnt, so daß sie intakt bleibt. Stattdessen quillt das Silizium harmlos in das hohle Innere, das auch zu klein ist, als daß Elektrolyt-Moleküle eindringen könnten. Im Fokus der künftigen Forschungen steht nun die Vereinfachung des Verfahrens zur Herstellung der Doppelwand-Silizium-Nanoröhren.

Nur einen Monat später berichten die Stanford-Forscher darüber, daß konzentrische Kohlenstoff-Nanoröhren, deren äußere, aufgeraute Schicht mit Defekten und Verunreinigungen durchsetzt ist, eine günstige Alternative für Metall-Luft-Batterien sowie für einen Teil der Platin-Katalysatoren darstellen können, die in Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser konvertieren.

Nanoröhrchen aus Graphen sind im Grunde ein Atom dicke, gerollte Blätter aus Kohlenstoff, wobei die strukturellen Defekte an der Außenseite die Rate der katalytischen Reaktionen erhöhen. Ist allerdings das Innere der Nanoröhre beschädigt, fällt die Leitfähigkeit unkontrolliert, was wiederum die Leistung beeinträchtigt. Die gezielte Beschädigung der Außenseite einer fragilen, nur ein Atom dicken Struktur, während die Innenseite intakt bleibt, schien lange Zeit ein fast unmögliches Kunststück. Das Team um Prof. Hongjie Dai löst dieses Dilemma durch den Bau von Strukturen aus zwei bis drei konzentrischen Nanoröhren. Werden die mehrwandigen Nanoröhren anschließend in einer chemischen Lösung behandelt, wird nur die äußere Röhre beschädigt, wodurch die Anzahl der Defekte und Verunreinigungen auf der Außenseite gesteigert wird, während die Innenseite intakt bleibt.

Ursprünglich ist zwar geplant, ausschließlich die Wirkung von Stickstoff-Verunreinigungen zu testen. Durch einen Glücksfall werden jedoch Spuren von Eisen, das als Wachstumskerne für die Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet wird, in den Mix mit aufgenommen. Dabei stellt man fest, daß die Gesamtleistung sinkt, sobald die Verunreinigungen (0,24 % Eisen und 5,3 % Stickstoff) chemisch heraus gelöst werden, was darauf hindeutet, daß die Verunreinigungen tatsächlich eine entscheidende Rolle spielen.

Der nächste Schritt wird im Januar 2013 vermeldet, als das Cui-Team gemeinam mit Mike Ross vom SLAC kugelförmige Nanopartikel aus Schwefel entwickelt.

Werden Lithium-Schwefel-Akkus entladen, bindet sich der Schwefel an das Lithium, um Lithiumsulfid zu bilden. Beim Ladevorgang bildet sich wiederum erneut Schwefel. Die Reaktion läuft allerdings nur indirekt ab, wobei eine Anzahl von Zwischenstoffen, die Polysulfide, entstehen. Bewegen sich diese aus der Elektrode, kann die Reaktion nicht mehr beendet werden, was die Energiemenge beschränkt, die die Batterie speichern kann. Sammeln sich die Polysulfide in der Zelle über mehrere Ladevorgänge hinweg an, dezimiert dies die Kapazität noch weiter.

Die Lösung besteht darin, die 800 Nanometer durchmessenden kugel- oder eiförmigen Nanopartikel mit einer porösen Titanoxidhülle zu beschichten, um die Polysulfide ,festzuhalten’, damit diese nicht mehr aus der Elektrode wandern können. Außerdem wird ein Teil des Schwefels gelöst, um innerhalb der Hülle Platz zu schaffen. Hier kann sich der Schwefel ausdehnen, ohne daß die Titanoxidhülle beschädigt wird. Den bisherigen Ergebnissen zufolge kann die Batterie fünf Mal mehr Energie speichern als die heutige kommerzielle Technologie. Nach 500 Zyklen verblieben bei den Prototypen immer noch 81 % Kapazität und nach 1.000 Zyklen 67 %.

Im Juni 2012 berichten Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, daß sie ein nahezu perfektes Elektrodenmaterial für Schwefelkathoden entwickelt haben.

Schwefelkathoden besitzen bemerkenswerte Vorteile gegenüber bisher verwendeten Elektroden: zum einen ist Schwefel ein preiswerter, nicht toxischer und nicht limitierter Rohstoff, und zum anderen lassen sich durch die hohe Kapazität des Schwefels deutlich höhere Energiedichten erreichen. Da Schwefel jedoch eine geringe Leitfähigkeit besitzt, muß er in eine leitfähige Matrix eingebracht werden. Dies gelingt nun mit einem einfachen Auftragsverfahren, bei dem vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren direkt auf Metallsubstraten wie z.B. Aluminium, Nickel oder Edelstahl heranwachsen. Wird dann Schwefel in diese Struktur infiltriert, erhält man - ganz ohne Zusatz von Bindern oder anderen Additiven - stabile und kompakte Elektroden. Mit bis zu 1.300 mAh/g, bezogen auf die Masse des Schwefels, besitzen die neuen Materialien eine äußerst hohe Kapazität, die eine Verdopplung der Energiedichte ermöglicht.

In dem durch das BMBF geförderten Projekt AlkaSuSi werden die neuen Materialien gemeinsam mit den Partnern Fraunhofer ICT und CAU Kiel für die Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien weiterentwickelt und untersucht.

Als das Department of Energy im August 2012 im Rahmen von ARPA-E Zuschüsse in Höhe von insgesamt 43 Mio. $ für 19 Frühphasen-Energiespeicherprojekte ausschüttet, erhält die im Vorjahr durch Unternehmer aus dem Silicon Valley gegründete Firma Sila Nanotechnologies Inc. einen Betrag von 1,73 Mio. $, um gemeinsam mit dem Georgia Institute of Technology  eine Li-Io-Batterie aus preiswerten Nano-Verbundwerkstoffen für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, welche die gegenwärtigen Energiespeicherkosten um die Hälfte oder mehr verringern könnte. Nähere Details oder Informationen über die weiteren Entwicklungsschritte sind auch Anfang 2014 nicht zu finden.

Im September meldet die Fachpresse, daß Xinliang Feng, Chemiker am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P), den ERC Starting Grant für angehende Spitzenwissenschaftler der EU-Kommission erhält. Fengs Erforschung zweidimensionaler Nanomaterialien wird in den folgenden fünf Jahren mit Fördergeldern in Höhe von mehr als 1,5 Mio. € finanziert. Mit diesen Mitteln soll eine eigene Forschungsgruppe aufgebaut werden, um die bisherigen Arbeiten fortzusetzen und zu intensivieren, die Feng 2004 begonnen hat, als er am MPI-P seine Promotion antrat.

Die ultradünnen Nanomaterialien, aus nur einer Lage Atomen bestehenden Schichten wie Graphen, besitzen einzigartige Funktionen und kommen für eine Vielzahl praktischer Anwendungen in frage. Feng möchte nun verschiedene Graphenformen sowohl durch chemische Synthese als auch mit mechanischen Herstellungsverfahren gewinnen, um bewußt Eigenschaften auf Funktionen und damit die spätere Verwendung abstimmen zu können. Auch aus Metalloxiden, Polymeren und organischen Verbindungen sollen Syntheseverfahren für Nanoschichten mit maßgeschneiderten Funktionen entwickelt werden, ebenso wie Methoden, um mehrere zweidimensionale Schichten zu Kompositen, also Verbundwerkstoffen, zu kombinieren.

Der Forschungsgruppe um Direktor Klaus Müllen, der auch Feng angehört, gelingt es eine Materialkomposition für weitaus leistungsfähigere Li-Io-Batterien zu erzeugen, wobei anstatt Graphit als Speichermaterial Metalloxide mit wesentlich höherer Ladungskapazität verwendeten werden, die mit Graphen ummantelt werden, um sie für den Langzeitgebrauch tauglich zu machen.

Im Januar 2013 berichten Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) um Maya Lukas und Velimir Meded sowie der US-amerikanischen Rice University, daß sie die kleinsten Tunnel der Welt geschaffen haben. Angelegt werden die nur wenige Nanometer breiten Tunnel in Graphit. Damit wird es nun möglich, auch das Innere von Werkstoffen mittels Selbstorganisation im Nanometerbereich zu strukturieren und nanoporösen Graphit maßzuschneidern, der für Anwendungen in der Batterietechnik und Medizin geeignet ist. Dabei kann die richtige Porengröße des Materials die Ladezeit maßgeblich verkürzen.

Die Herstellung der Tunnel erfolgt, indem Nanopartikel aus Nickel auf Graphit aufgebracht werden, der dann in Anwesenheit von Wasserstoffgas erhitzt wird. Dabei dient Oberfläche der wenige Nanometer großen Metallpartikel als Katalysator, der die Kohlenstoffatome des Graphits ablöst und mit Wasserstoff zu Methan umbildet. Kapillarkräfte ziehen das einzelne Nickelpartikel in das entstandene ,Loch’ wobei sich das Partikel weiter durch das Material bohrt. In den bisherigen Versuchen ergaben sich Tunnel mit Längen zwischen 1 und 50 Nanometer, was etwa einem Tausendstel des Durchmessers eines Haares entspricht.

Werden statt Graphit nicht leitende Materialien genutzt, die einen ähnlichen atomaren Aufbau haben, etwa Bornitrid, wäre es möglich, die Tunnel als Grundgerüst für nanoelektronische Komponenten wie neuartige Sensoren oder Solarzellen zu nutzen.

Forscher der University of Southern California (USC) in Los Angeles berichten im Februar von einem neuartigen Akku-Design, das auf gleichem Raum die dreifache Ladekapazität ermöglicht, wie in heute gängigen Akkus, und sich außerdem in nur zehn Minuten voll aufladen läßt. Das Team um Prof. Chongwu Zhou nutzt dafür langlebige, flexible und poröse Nanodrähte aus Silizium mit 100 Nanometern im Durchmesser an der Anode. Nach bisherigem Forschungsstand erreichen die neuartigen Akkus allerdings erst 200 Ladezyklen, was für eine kommerzielle Nutzung noch zu wenig ist. Trotzdem hofft man, daß die Akkus in zwei bis drei Jahren marktreif sind.

Im März 2013 wird aus der University of Illinois at Urbana-Champaign eine weitere neue Batterietechnik gemeldet, welche die Lade- und Entladezeiten extrem verkürzen soll. Grundlage der neuen Technik des Teams um Prof. William B. King ist eine spezielle 3D-Nano-Struktur in dem Akku, die gleichzeitig eine enorme Energie- und Leistungsdichte bietet, „mehr als jemals für möglich gehalten wurde!“

Daran könnte tatsächlich etwas sein, wenn sich die gemachten Angaben umsetzen lassen, denn die neue Mikrobatterie auf Lithium-Ionen-Basis soll etwa 2.000 Mal mehr Energie speichern können als ein konventioneller Akku gleicher Größe und sich außerdem 1.000 Mal schneller laden lassen. Ein Smartphone wäre innerhalb weniger Sekunden wieder voll. Erreicht werden diese Eigenschaften durch eine sehr feine 3D-Struktur der Elektroden, die dafür sorgt, daß Kathode und Anode vergleichsweise riesige Oberflächen aufweisen. Gleichzeitig  sorgt die neue Struktur für einen optimierten Ionen- und Elektronen-Transport. Das Geheimnis liegt in der drei- statt nur zweidimensionalen Gitterkonstruktion, welche den Austausch der Ionen deutlich beschleunigt.

Basis der Entwicklung ist eine Kathode mit dreidimensionaler Nanostruktur, die bereits im Jahr 2011 von dem Team um Prof. Paul V. Braun vorgestellt wurde (siehe unter Dünnschicht-Batterie). Nun haben die Forscher nach dem gleichen Konzept auch eine Anode entworfen und aus diesen beiden Elektroden den revolutionären neuen Energiespender gebaut,  der sich durch kleine Veränderungen der Nanostruktur auch noch wahlweise auf mehr Leistung oder mehr Speicherkapazität trimmen läßt. Unterstützt werden diese Arbeiten durch die National Science Foundation und dem Office of Scientific Research der Air Force.

Im selben Monat präsentiert auch eine Forschungsgruppe der University of Maryland um Prof. YuHuang Wang eine Lösung für das Problem der knackenden oder brechenden Siliziumstrukturen.

Die Chemiker und Materialwissenschaftler einwickeln eine winzige Siliziumstruktur, die deutlich mehr Ladezyklen als frühere Entwürfe überstehen kann, indem sie winzige Perlen aus Silizium auf einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen lassen.

Um die Perlen herzustellen, wird der Teil eines Moleküls, das sonst in Lebensmittelaromen genutzt wird, entlang von Kohlenstoffröhrchen befestigt, die weniger als fünfzig Nanometer breit sind. Sobald der Raum mit einem Silizium enthaltenden Gas geflutet wird, veranlaßt das organische Molekül das Silizium dazu, perlenförmig auf dem Röhrchen zu wachsen. Anschließend wird das Silizium mit Lithiumionen beladen und das Team verwendet ein leistungsfähiges Mikroskop, um die Lade- und Entladevorgänge direkt an der Elektrode zu beobachten. Dabei finden die Forscher heraus, daß die Struktur deshalb so robust ist, weil das organische Molekül, das zunächst das Silizium an die Röhre angezogen hat, die Silizium-Bindung an das Rohr stärker macht und das Silizium daran hindert, auseinander zu brechen. Und wenn die Perlen mit Lithium geladen wurden, wachsen und schrumpften sie ohne zu reißen, da sie von der Nanoröhre aus nach außen expandieren, aber nicht zueinander hin, so daß sie nahe beieinander entlang der Nanoröhre plaziert werden können. Die Arbeit wird von dem NEES Energy Frontier Research Center und der National Science Foundation unterstützt.

Die dritte Meldung in diesem Monat stammt von einem Forscherteam der Universität Stuttgart und des ebenfalls dort beheimateten Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme um Žaklina Burghard und Joachim Bill. Die Materialwissenschaftler nehmen sich zum Vorbild, was die Natur schon seit Jahrmillionen praktiziert: Sie verwandelt Materialien mit eher bescheidenen mechanischen Eigenschaften in natürliche Verbundmaterialien mit hervorragender Härte, Festigkeit und Elastizität, indem sie ihnen eine raffinierte Nanostruktur gibt. Muscheln etwa schichten harte, aber spröde Aragonitplättchen wie Ziegelsteine übereinander und verbinden sie mit einer Art Mörtel aus Protein. So entsteht das harte, aber zugleich elastische und bruchfeste Perlmutt.

Im Zuge ihrer Arbeit erzeugen die Forscher aus der harten, aber spröden Keramik Vanadiumpentoxid auf einfache Weise ein biegsames und leitfähiges Papier, dessen besondere mechanischen Eigenschaften es seiner Struktur verdankt, die der von Perlmutt ähnelt. Das Keramik-Papier besteht aus Nanofasern aus jeweils zwei harten Vanadiumpentoxid-Schichten, zwischen denen eine Wasserschicht liegt. Mehrere dieser Fasern legen sich der Länge nach übereinander und formen plankenförmige Platten, die sich wiederum ebenfalls der Länge nach stapeln, aber versetzt übereinander, im Querschnitt ähnlich einer Ziegelsteinmauer.

Diese spezielle Kombination von harter Keramik und weichem Wasser macht das Papier hart, bruchfest und biegsam, und sie bewirkt auch, daß die Leitfähigkeit in der Papierebene hoch, und senkrecht dazu niedrig ist. Transportiert wird der Strom dabei aber nicht nur durch Elektronen, die an den Nanofasern entlang wandern, sondern auch durch Ionen in den Wasserschichten zwischen der Keramik. Dabei verändern sich die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Papiers abhängig vom Wassergehalt. Die Leitfähigkeit ist parallel zur Papierebene allerdings viel größer als senkrecht dazu.

Das Keramik-Papier ist seinem natürlichen Vorbild Perlmutt nicht nur dadurch überlegen, daß es elastischer und zugleich auch fester ist, sondern auch, weil es sich wie eine Zieh-Harmonika falten und zusammenrollen läßt. Und da das Papier zwischen den einzelnen Vanadiumoxidfasern und -platten Ionen einlagern kann, eignet es sich auch als Elektrodenmaterial für Batterien. Dabei können Ionen entlang der Plattenebene effizient und gerichtet wandern, weil das Papier in geordneten und gleichmäßig geformten Schichten aufgebaut ist. Batterien mit Elektroden aus Keramikpapier lassen sich daher schnell laden und umgekehrt auch schnell entladen lassen, so daß sie hohe Stromdichten liefern können.

Im Juni 2013 berichten Forscher des Los Alamos National Laboratory in New Mexico von einem neuen Weg zur Entwicklung kostengünstiger Elektrofahrzeug-Batterien. Das Team stellt einen nanostrukturierten Katalysator auf Kohlenstoffbasis vor, der kein Platin oder andere Edelmetalle erfordert. Mit der Lithium-Luft-Technologie gekoppelt soll die zehnfache Speicherkapazität von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zu einem Bruchteil des Preises erreichbar sein.

Der neue Katalysator basiert auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die mit Stickstoff verändert (dotiert) sind und von dem Team als N-Fe-CNT/CNP bezeichnet werden (CNT für carbon nanotube, und CNP für carbon nanoparticle). Kohlenstoff an sich ist ein relativ billiges Material, doch die Verarbeitung von Kohlenstoff-Nanoröhren mit Stickstoff in eine nutzbare Form ist bislang mit erheblichen Kosten sowie der Verwendung von giftigen und gefährlichen Stoffen verbunden.

Das Team entwickelte daher eine Problemumgehung, die es ermöglicht, den Katalysator in einem einfachen Ein-Schritt-Verfahren unter Verwendung von Eisen-Acetat [Fe(CH₃-COO)₂] und Cyanamid (NCNH₂) zu synthetisieren. Bis der Katalysator bereit ist für die kommerzielle Entwicklung, werden allerdings noch einige Jahre vergehen.

Eine faltbare Batterie aus Karbon-Nanoröhren und Mikropartikeln, die in flexiblen und gebogenen Elektronikgeräten eingesetzt werden könnte und im November 2013 in den Fachblogs präsentiert wird, stammt von Forscher des New Jersey Institute of Technology.

Der Forschungsgruppe um Prof. Somenath Mitra und den Chemie-Doktoranden Zhiqian Wang, welche die flexible Batterie zusammen entwickelt haben, kann diese so klein wie ein Stecknadelkopf oder so groß wie ein Teppich sein.

Eine interessante, möglicherweise revolutionäre Eigenschaft dieser Batterie ist, daß sie im Prinzip zu Hause von jedermann hergestellt werden könne. Dazu reicht es aus, eine Elektroden-Paste auf zwei Plastik-Platten zu streichen, diese wiederum durch einen Plastik-Separator zu trennen, und dann das Ganze zusammen zu laminieren. Die Materialien können Zink- und Mangan-Dioxid im Fall von Alkali-Batterien bzw. Lithium-Salze für Lithium-Batterien sein.

Ein Patentantrag ist Mitra zufolge bereits eingereicht worden. Und auch einen Oberbegriff für die neuen  flexiblen, falt- und aufrollbaren Batterien gib es schon: Stretchable energy storage and conversion devices (ESCDs).

Eine preiswerte, neue Elektrode aus Eisenoxid-Nanopartikeln, welche die Akku-Kapazität steigert und auch gut für die Großserienfertigung geeignet ist, wird im Oktober 2013 von dem A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapur vorgestellt. Die Nanopartikel ersetzen das Graphit, das normalerweise als Anode verwendet wird, wobei Eisenoxid eine deutlich höhere Ladekapazität als Graphit besitzt, aber etwas langsamer zu laden ist.

Die 5 Nanometer großen Teilchen eines Eisenoxids, das als α-Fe₂O₃ bekannt ist, werden einfach durch Erhitzen von Eisennitrat in Wasser hergestellt. Anschließend werden die Teilchen mit Ruß vermischt, mit Polyvinylidenfluorid zusammen gebunden und mit der Mischung eine Kupferfolie beschichtet, welche die Anode bildet. Während diese in der ersten Runde des Ladens und Entladens einen Wirkungsgrad von 75 – 78 % zeigt, in Abhängigkeit von der verwendeten Stromdichte, verbessert sich die Effizienz nach weiteren zehn Zyklen jedoch auf 98 %, was fast so hoch ist wie bei kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien. Nach etwa 230 Zyklen stabilisiert sich der Wirkungsgrad bei 97 %, mit einer Kapazität von 1.009 mAh/g – was fast dreimal höher ist als bei handelsüblichen Graphitanoden. Forschungen anderer Teams lassen vermuten, daß die Eisenoxid-Nanopartikel während der ersten Zyklen soweit abgebaut werden, bis sie eine optimale Größe erreichen. Die Forscher um Liu Zhaolin vom A*STAR Institute und Aishui Yu von der Fudan University in China konzentrieren sich nun auf die Optimierung der Synthese der Nanopartikel und die weitere Erhöhung der Effizienz.

 

Weiter mit den verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen...