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Jaist-Forscher entwickeln Anodenmaterial für schnelleres Laden
Stickstoffhaltiges Kohlenstoffmaterial aus Japan soll kürzere Ladezeiten ermöglichen
Stefan Leichsenring 
Von: Stefan Leichsenring
30. Dez. 2021 um 12:24 Uhr
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Japanische Forscher haben ein neues Anodenmaterial entwickelt, das extrem schnelle Ladevorgänge für Elektroautos ermöglichen soll. Das berichtet nun das Japan Advanced Institute of Science and Technology (Jaist).
Das neuartige Material ist ein Polymer aus organischen Ringen, ein so genanntes Poly-Benzimidazol. Benzimidazol besteht aus einem Benzolring und einem Fünfring mit zwei Stickstoffatomen. Beim Polymer hängen viele dieser Ringsysteme über Einfachbindungen aneinander. Die folgende Grafik zeigt die Formel des Polybenzimidazols in der oberen rechten Ecke:
Die mit diesem Anodenmaterial gebaute Zelle behielt über Tausende von Lade-Entladezyklen den größten Teil ihrer Speicherkapazität bei, so die Forscher.
Traditionelle Lithium-Ionen-Akkus verwenden Graphit als Anodenmaterial. Graphit besteht aus parallelen Kohlenstoffschichten, zwischen die sich beim Laden des Akkus Lithium-Ionen einlagern, ohne dass der Schichtabstand wesentlich wächst. Für die Ladezeit ist entscheidend, dass die Lithium-Ionen sich schnell einlagern.
Um eine schnellere Einlagerung zu erreichen, kann der Abstand zwischen den Schichten erhöht werden. Dies wird oft durch das Einbringen von Stickstoffverunreinigungen ("Stickstoffdotierung") erreicht, doch bisher gab es kein Verfahren, um dabei den Schichtabstand zu steuern.
Statt Graphit nachträglich mit Stickstoff zu dotieren, gehen die japanischen Forscher von Polybenzimidazol aus. Durch Erhitzen auf 800 Grad (blauer Pfeil in der Grafik oben) erzeugten die Jaist-Forscher daraus ein Anodenmaterial mit einem rekordverdächtigen Stickstoffgehalt von 17 Gewichtsprozent.
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In dem neuen Anodenmaterial bewegen sich die Lithium-Ionen tatsächlich schneller, so die Forscher. Zudem zeigten Haltbarkeitstests, dass Zellen selbst nach 3.000 Lade-Entlade-Zyklen noch etwa 90 Prozent ihrer Kapazität behielten – das ist erheblich mehr als bei Zellen mit Graphitanoden.
"Die extrem schnelle Ladegeschwindigkeit mit dem von uns hergestellten Anodenmaterial könnte es für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet machen." (Projektleiter Prof. Noriyoshi Matsumi vom Jaist)
Ein weiterer Vorteil soll die Herstellung des Benzimidazols mit Hilfe biologischer Prozesse sein. Es entsteht dabei aus einer Diaminobenzoesaure und Norephedrin (PPA) (siehe Grafik oben, chemische Gleichungen in der ersten Zeile).
Quelle: JAIST
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