10.12.2010

DOE/Sandia National Laboratories

Kleinster Akku der Welt überrascht Forscher

US-Forscher haben in einem Elektronenmikroskop den kleinsten Akku der Welt realisiert. Seine Anode besteht aus nur einem einzelnen Zinnoxid-Nanodraht von 100 Nanometern Durchmesser. Wie das Team um Jian Yu Huang von den Sandia National Laboratories http://sandia.gov heute, Freitag, im Magazin Science berichtet, soll die winzige Batterie wertvolle Erkenntnisse für das Design zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien liefern. Dabei gab es bereits eine wichtige Überraschung. Statt wie erwartet einfach dicker, wurde der Nanodraht beim Aufladen auch doppelt so lang.

Die Verwendung von Nanodrähten als Elektrodenmaterial gilt als vielversprechender Ansatz, um die Energie- und Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Akkus zu steigern und somit kompaktere und leichtere Ausführungen zu ermöglichen. Daher ist es eine wichtige Erkenntnis, dass eine Nanodraht-Anode beim Aufladen offenbar nicht nur im Durchmesser wächst, sondern auch deutlich länger wird. Denn das birgt ein potenzielles Kurzschlussrisiko. "Hersteller sollten die Verlängerung in Akkudesigns berücksichtigen", betont daher Huang.

Die Beobachtung am Zinnoxid-Nanodraht ist somit ein exzellentes Beispiel dafür, warum das Team im Transmissionselektronenmikroskop am Center for Integrated Nanotechnologies den winzigen Akku gebaut haben. Für eine praktische Anwendung dürfte die geschätzte Stromstärke von nur einem Picoampere - also einem Billionstel Ampere - nicht ausreichen. Vielmehr geht es darum, die physikalischen Mechanismen beim Laden und Entladen neuartiger Batterien auf atomarer Ebene zu verstehen.

Die Arbeit mit dem Akku im Elektronenmikroskop ermöglicht es nämlich, die Anode stets in Echtzeit zu beobachten. "Das ist der genauste Einblick in die Vorgänge beim Laden einer Batterie, den Forscher bislang bekommen haben", sagt Huang. So hat ihr Team beispielsweise beobachtet, dass sich die Lithiumionen beim Ladevorgang am Nanodraht entlang bewegen und eine "Medusa-Zone" entsteht. Dort reagieren Anodenmaterial und Lithium so heftig, dass sich der Draht biegt und sogar kräuselt.

Solche Detailbeobachtungen zum Material- und Strukturverhalten können der Teamleiterin zufolge viele wichtige Erkenntnisse liefern, wie Akkus gestaltet werden müssen, um einem Versagen vorzubeugen. Im Rahmen bisheriger Forschungsbemühungen, die ganze Nanodrahtbündel als Elektroden nutzen, wären sie laut Huang aber nicht möglich. Denn das sei, wie "einen Wald anzusehen, um das verhalten eines einzelnen Baumes zu verstehen."

Video: Verlängerung der Nanofaser

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