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News: Starke Batterien

Britischen Chemikern ist es erstmals gelungen, die für den Bau von wiederaufladbaren Lithium-Zellen notwendige Verbindung Lithium-Manganoxid in einer gänzlich neuen Form herzustellen. Diese enthält mehr als doppelt soviele Lithiumatome wie die bisher verwendete, dreidimensionale Spinellform. Dadurch ist auch die Kapazität solcher Akkus bei gleicher Größe um ein Vielfaches höher als die bisheriger Lithiumionen-Akkus.
Da Lithiumionen-Akkus eine sehr prominente Rolle im Bereich der Mobiltelefone, Laptops etc. spielen, sind die Auswirkungen der Entdeckung noch gar nicht absehbar. Einer weiteren Miniaturisierung dieser Geräte scheint jedenfalls nichts mehr entgegenzustehen, denn bisher diktierte vor allem die Größe der Akkus in vielen Fällen Größe und Gewicht der mobilen Helfer. Die Entdeckung gelang der Arbeitsgruppe von Professor Peter Bruce an der schottischen University of St. Andrews.

Seit ihrer Einführung vor etwa fünf Jahren haben wiederaufladbare Lithiumionenzellen zu einer wahren Revolution im Bereich der tragbaren Energiequellen geführt. So können sie bei gleicher Größe und Gewicht weit mehr Energie speichern als herkömmliche Nickel-Cadmium-Zellen und leiden zudem nicht wie diese unter einem zeitlichen Schwund, dem sogenannten "Memory-Effekt". In den letzten Jahren hat sich ihre Produktion jährlich verdoppelt und lag 1998 bei etwa 400 Millionen Einheiten.

Eine Batterie besteht im wesentlichen aus zwei Elektroden, welche durch einen Elektrolyten – einer leitenden Flüssigkeit – getrennt werden. In der neuen Generation von Lithiumionenzellen ist die positive Elektrode aus Lithium-Manganoxid, der negative Gegenpol dagegen aus Graphit gefertigt. Wird die Zelle geladen, so wandern Lithiumionen durch den Elektrolyt an die Graphitelektrode. Beim Abrufen der Ladung – dem Entladen – machen sich die Lithiumionen dann auf den entgegengesetzten Weg. Dieser Fluß an positiven Ladungen im Innern der Zelle wird begleitet von einem Elektronenfluß über den äußeren Stromkreis der Zelle, welcher die jeweiligen Gerätschaften antreibt. Die Fähigkeit, Ladung zu speichern, hängt dabei stark von der Menge freier Lithiumionen in der Zelle ab.

Den Forschern ist dabei schon länger bekannt, daß Lithium-Manganoxid prinzipiell in zwei unterschiedlichen molekularen Formen vorkommt. In der bisher verwendeten "Spinellform" sind die Atome in einem dreidimensionalen Gitter untereinander verbunden. In dem jetzt erstmals synthetisierten, zweidimensionalen Schichtenmodell der Verbindung finden im Vergleich zur Spinellform mehr als doppelt soviel Lithiumatome pro Raumanteil Platz. Der Arbeitsgruppe um Professor Bruce gelang damit nicht nur ein wichtiger Durchbruch auf dem Gebiet der Elektrochemie, sie konnte auch zeigen, daß allein durch eine leichte Modifikation seiner Geometrie die Wiederaufladbarkeit von Manganoxid um ein Vielfaches gesteigert werden kann.

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