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Batterieforschung : Erleben Lithium-Ionen-Batterien eine Silizium-Ära?

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Silizium als Elektrodenmaterial erhöht die die Speicherkapazität und verkürzt die Ladezeiten von Lithium-Ionen Batterien. Bild: BMW

Mehr Strom aus der Batterie: Die Leistungsfähigkeit der Akkus lässt sich steigern, indem man als Elektrodenmaterial nur poröses Silizium verwendet

          Trotz der gegenwärtigen Sicherheitsprobleme bei bestimmten Smartphones sind Lithium-Ionen-Akkus gefragte Stromquellen für Millionen von tragbaren Geräten - von mobilen Rechnern über Handys bis hin zu kabellosen Gartengeräten oder Werkzeugen. Denn die Stromquellen haben höchste Energiedichten und lassen sich schnell wieder aufladen. Und die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich theoretisch noch weiter steigern, wenn man etwa Silizium anstelle vom üblichen Graphit als Anodenmaterial verwendet Deshalb untersuchen viele Forschergruppen, wie das Halbleitermaterial für die Konstruktion besserer Akkus genutzt werden kann.

          Lithium-Ionen-Akkus haben normalerweise eine Anode aus Graphit. Das Material ist aus hexagonalen Kohlenstoffschichten aufgebaut, zwischen denen sich Lithium-Ionen einlagern können. Fließt ein Strom über einen angeschlossenen Verbraucher, wandern in der Batterie die Ionen von der Anode zur Kathode - ein Vorgang, der über viele Zyklen ohne nennenswerte Leistungseinbußen wiederholt werden kann. Der Vorteil von Silizium als Anodenmaterial: Es kann deutlich mehr Lithium einlagern als Graphit. Allerdings zerstören die aufgenommenen Ladungsträger die Kristallstruktur des Halbleiters. Das Volumen der negativen Elektrode kann dabei bis auf das Dreifache anwachsen, beim Entladen schrumpft sie wieder auf die Ausgangsgröße. So ergeben sich große mechanische Spannungen im Material, die bislang nicht handhabbar sind und die Batterie zerstören.

          Synthesewege zu amorphem Silizium

          Chinesische Wissenschaftler von der Shangdong-Universität haben nun eine amorphe Form von Silizium hergestellt, die diese Nachteile offenbar nicht aufweist. Die Synthese des Materials ist verblüffend einfach, wie Jian Yang und seine Kollegen in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ schreiben. So kommen die Forscher ohne starke Säuren, teure Reagenzien oder besondere Apparaturen aus. Die beiden Ausgangsstoffe - Siliziumtetrachlorid und Magnesium - werden mit Glykolether als Lösungsmittel in einen Druckbehälter gefüllt und zehn Stunden lang auf 100 Grad Celsius erhitzt. Nach kurzem Erhitzen des Reaktionsprodukts auf 800 Grad und raschem Abkühlen erhält man amorphes Silizium, das von unzähligen Poren durchzogen ist. Diese spezielle Struktur sorgt dafür, dass das Material beim Beladen mit Lithium-Ionen stabil bleibt und nicht anschwillt. Das amorphe Silizium weist nach Angaben der Wissenschaftler um Yang gegenüber Graphit eine dreimal so hohe Ladungskapazität auf. Da es vergleichsweise einfach herzustellen ist, könnte das Verfahren für eine künftige Massenproduktion interessant sein.

          Auch andere Synthesewege führen zu Siliziumanoden mit verbesserter Stabilität. So berichteten Wissenschaftler von der Stanford University in Kalifornien kürzlich über Mikropartikeln aus Silizium, die sie mit Graphenschichten umhüllten. Die nur wenige Mikrometer großen Halbleiterteilchen stecken gleichsam in einem mechanisch festen Käfig aus Kohlenstoff. Deshalb sind sie wesentlich stabiler: Nach 100 Lade-Entlade-Zyklen wies ein Testakku noch 90 Prozent der ursprünglichen Kapazität auf, berichten Yi Cui und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature Energy“. Ähnliche Werte haben die Forscher um Cui jetzt auch mit Hybridanoden aus Silizium und Graphit erzielt. Diese stellten sie aus Graphitpartikeln her, die nacheinander mit nanometerdünnen Schichten aus Silizium und Kohlenstoff überzogen wurden.

          Neutronen verraten den Ort der  eingelagerten Lithium-Ionen 

          Dass solche extrem dünnen Siliziumschichten genügen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu erreichen, konnten unlängst Wissenschaftler um Matthias Ballauff am Helmholtz-Zentrum Berlin nachweisen. Mit Hilfe von Neutronen-Streuung haben die Forscher direkt beobachtet, wo genau sich die Lithium-Ionen im Silizium einlagern und wie rasch sie im Material wandern. Dabei hat man zwei verschiedene Bereiche gefunden. Besonders viele Metallionen lagern sich direkt an der Grenzfläche zum Elektrolyten der elektrochemischen Zelle ein: Auf ein Halbleiteratom kommen im Mittel 2,5 Lithium-Ionen. Diese Schicht ist etwa 20 Nanometer dick. Daran schließt sich eine zweite Schicht an, in der allerdings nur noch ein Lithium-Ion auf zehn Siliziumteilchen kommt.

          Aus der Anzahl der nach dem Entladen verbleibenden Lithium-Ionen haben die Forscher um Ballauff berechnet, dass die Ladungskapazität einer Silizium-Lithium-Batterie rund sechsmal so groß ist wie die eines gewöhnlichen Lithium-Ionen-Akkus. Nun müssen Materialforscher einen funktionsfähigen Silizium-Lithium-Ionen bauen, der allen Anforderungen für die Praxis genügt.

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