Helmholtz-Forscher halten 6-fache Steigerung bei Li-Ion-Akkus für möglich
Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien verwenden Elektroden aus Graphitschichten, die nur eine begrenzte Anzahl von Lithium-Ionen einlagern können – mit der Folge, dass sich die Kapazität der aktuellen Lithium-Ionen-Akkus kaum weiter steigern lässt. Ein Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat laut einer Medienmitteilung erfolgreich ein alternatives Material getestet.
Als Alternative zum Graphit empfiehlt sich beispielsweise Silizium (Foto li.) als Halbleitermaterial, da es in der Lage ist, große Mengen an Lithium aufzunehmen. Jedoch zerstört das Einwandern der Lithium-Ionen die Kristallstruktur des Siliziums. Die Helmholtz-Forscher haben nun erstmals detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern – und gezeigt, dass Lithium-Ionen-Akkus ihre Kapazität um das 6-fache erhöhen können, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde.
Lithiumreiche Zone nur 20 Nanometer dick
Die Forschungen zeigten, dass schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren. Am Institut Laue-Langevin in Grenoble konnten die Wissenschaftler mit Neutronenmessungen nachverfolgen, dass beim Aufladen die Lithium-Ionen nicht tief in das Silizium eindringen, sondern sich vor allem in der unmittelbaren Grenzschicht einlagern.
Dabei entsteht eine nur 20 Nanometer dünne Schicht, die extrem viel Lithium enthält: Auf 10 Silizium- kommen 25 Lithium-Atome. Daran schließt sich eine zweite lithiumärmere Schicht an. Hier kommt auf 10 Silizium-Atome nur noch ein Lithium-Atom. Beide Schichten zusammen sind nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 nm dick. Daher, so die Folgerung, würden schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen.
6-fache Kapazität theoretisch erreichbar
„Mit der Methode der Neutronenreflektometrie konnten wir präzise verfolgen, wo sich Lithium-Ionen in der Silizium-Elektrode einlagern und auch, wie schnell sie sich bewegen“, so Dr. Beatrix-Kamelia Seidlhofer, die die Experimente an der Neutronenquelle im Institut Laue-Langevin durchgeführt hat. Seidlhofer hat errechnet, dass die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien bei etwa 2.300 Milliamperestunden/Gramm liegt – mehr als das 6-fache der theoretisch maximal erreichbaren Kapazität bei einem Lithium-Ionen-Akku, der mit Graphit arbeitet (372 mAh/g).
Aus dieser Arbeit 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.
->Quellen:
- helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14506&sprache=de&typoid=1
- wis-potsdam.de/de/helmholtz-zentrum-berlin-materialien-und-energie-hzb/lithium-ionen-akkus-kapazitaet-kann-um
- Artikel: Lithiation of Crystalline Silicon As Analyzed by Operando Neutron Reflectivity, Beatrix-Kamelia Seidlhofer, Bujar Jerliu, Marcus Trapp, Erwin Hüger, Sebastian Risse, Robert Cubitt, Harald Schmidt, Roland Steitz, and Matthias Ballauff – in: ACSnano der American Chemical Society