Sa, 18. November 2017

Sechsfache Kapazität

10.08.2016 09:40

Forscher entwickeln Super-Lithium-Ionen-Akku

Lithium-Ionen-Akkus könnten ihre Kapazität um das Sechsfache erhöhen, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde. Das haben Wissenschaftler des HZB-Instituts in Berlin herausgefunden. Wie sie in der Zeitschrift "ACSnano" der American Chemical Society berichten, reichen schon extrem dünne Silizium-Schichten aus, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren.

Lithium-Ionen-Akkus versorgen mobile Rechner, Smartphones und Tablets zuverlässig mit Energie. Elektroautos dagegen kommen mit den gängigen Lithium-Ionen-Akkus noch nicht sehr weit. Das liegt an den zurzeit verwendeten Elektroden aus Graphitschichten. Diese können nur eine begrenzte Anzahl von Lithium-Ionen einlagern, sodass sich die Kapazität der aktuellen Lithium-Ionen-Akkus kaum weiter steigern lässt.

Daher sind Halbleitermaterialien wie Silizium als Alternative zum Graphit im Gespräch. Silizium ist in der Lage, enorme Mengen an Lithium aufzunehmen. Allerdings zerstört das Einwandern der Lithium-Ionen die Kristallstruktur des Siliziums. Dabei kann das Volumen auf das Dreifache anschwellen, was zu großen mechanischen Spannungen führt.

Mit Neutronen beim Aufladen beobachtet
Nun konnte ein Team dem HZB-Instituts für weiche Materie und funktionale Materialien erstmals eine Halbzelle aus Lithium und Silizium direkt beim Be- und Entladen beobachten und präzise verfolgen, wo sich Lithium-Ionen in der Silizium-Elektrode einlagern und auch, wie schnell sie sich bewegen.

Lithiumreiche Zone nur 20 Nanometer dick
Dabei fanden sie zwei unterschiedliche Zonen. Nahe der Grenzfläche zum Elektrolyten bildet sich eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt: Auf zehn Silizium-kommen 25 Lithium-Atome. Daran schließt sich eine zweite lithiumärmere Schicht an. Hier kommt auf zehn Silizium-Atome nur noch ein Lithium-Atom. Beide Schichten zusammen sind nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 Nanometer dick.

Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten (gelb) in die Schicht aus kristallinem Silizium (c-Si) ein. Im Lauf der Beladung bildet sich eine 20 Nanometer dünne Schicht (rot) in der Silizium-Elektrode, die extrem viele Lithium-Atome aufnimmt.

Sechsfache Kapazität theoretisch erreichbar
Nach dem Entladen bleibt in der Silizium-Grenzschicht zum Elektrolyten etwa ein Lithium-Ion pro Silizium-Platz in der Elektrode zurück. Die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien läge bei etwa 2300 Milliamperestunden pro Gramm - das ist mehr als das Sechsfache der theoretisch maximal erreichbaren Kapazität bei einem Lithium-Ionen-Akku, der mit Graphit arbeitet (372 Milliamperestunden pro Gramm).

Weniger ist mehr
"Aus dieser Arbeit", so die Wissenschaftler in einer Mitteilung, "ergeben sich sehr konkrete Hinweise für das Design von guten Silizium-Elektroden: Sehr dünne Siliziumfilme müssten demnach völlig ausreichen, um maximal viel Lithium aufzunehmen, was wiederum Material und vor allem Energie bei der Herstellung spart."

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