Forscher des amerikanischen RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) haben mit Vanadiumdisulfid als Kathodenmaterial von Lithium-Akkus deren Eigenschaften deutlich verbessern können. Sie konnten sowohl Kapazität als auch das Schnelladeverhalten massiv optimieren.

Ein Lithium-Ionen-Akku lädt und entlädt sich, indem sich Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden bewegen. In einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku besteht die Anode aus Graphit und die Kathode aus Lithium-Kobalt-Oxid. Bezüglich Preis und sonstigen elektrischen Eigenschaften eignen sich diese Materialien sehr gut, weshalb Lithium-Ionen-Akkus immer weitere Anwendungen erschließen. Den Forschern von Rensselaer hingegen gelang eine weitere Verbesserung mit anderen Materialien.

Vanadiumdisulfid

Nikhil Koratkar, einer der meistzitierten Forscher der Welt in diesem Bereich, und seinem Team gelangen weitere Verbesserungen, indem sie Kobaltoxid durch Vanadiumdisulfid (VS2) ersetzten. Resultat ist zum einen eine höhere Energiedichte, da VS2 leicht ist. Dank seiner besseren Leitfähigkeit bietet es darüber hinaus auch noch eine bessere Schnellladefähigkeit.

Das Potenzial von VS2 machte es in den letzten Jahren stetig attraktiver, aber bis jetzt schreckte seine Instabilität ab, die zu geringen Ladezyklen der damit realisierten Akkus führte. Die Rensselaer-Forscher fanden nun nicht nur heraus, warum diese Instabilität auftritt, sondern entwickelten auch eine Gegenmaßnahme.

Das interdisziplinäre Team stellte fest, dass die Lithium-Insertion eine Asymmetrie im Abstand zwischen den Vanadiumatomen verursachte, die als Peierls-Verzerrung bekannt ist. Dies ist die Ursache für den Zerfall von VS2-Flocken. Sie entwickelten als Gegenmaßnahme eine Art Nanobeschichtung dieser Flocken mit Titandisulfid (TiS2), einem Material, das immun gegen die Peierls-Verzerrung ist. Diese Beschichtung stabilisiert die VS2-Flocken mechanisch und verbessert somit die Haltbarkeit des damit aufgebauten Akkus.

Nach der Lösung dieses Problems ergab sich, dass die VS2-TiS2-Elektroden auch noch eine besonders hohe spezifische Kapazität ermöglichten. Vanadium und Schwefel erlauben aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts eine hohe Kapazität und Energiedichte, was zu kompakten Akkus beiträgt. Außerdem zeigte sich, dass die Kapazitätsreduktion durch viele Ladezyklen nicht so ausgeprägt war wie bei anderen Elektrodenmaterialien, denn VS2/TiS2 ist im Gegensatz zu Kobaltoxid elektrisch leitfähig.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.