Poröses Silizium verleiht Akkus ungeahnte Kräfte

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Wissenschaftler an der südkoreanischen Hanyang University haben ein Anodenmaterial entwickelt, das kapazitätsstärkere Lithium-Ionen-Akkus in Aussicht stellt. Eine neue Batterie-Generation mit deutlich höherer Laufzeit könnte verwirklicht werden, indem in der negativen Elektrode das klassische Material Graphit durch das neuartige Material ersetzt wird. Dabei handelt es sich um dreidimensionale, hochporöse Silizium-Strukturen.

“Die präsentierten Ergebnisse sehen durchaus vielversprechend aus”, meint Martin Schmuck, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz. Beim Aufladen eines Lithium-Ionen-Akkus wandern Lithium-Ionen in die Anode und werden in deren Material gespeichert. Normalerweise handelt es sich dabei um Graphit, das aber eine begrenzte Speicherkapazität hat. Silizium verspricht eine höhere Kapazität, kämpft aber damit, dass es sich beim Aufladen ausdehnt und beim Entladen durch die Abgabe der Lithium-Ionen wieder schrumpft. Dadurch werden Silizumschichten normalerweise nach einigen Ladezyklen pulversiert und unbrauchbar.

Die Koreaner lösen dieses Problem durch ein neuartiges Herstellungsverfahren. Sie nutzen Siliziumdioxid-Nanopartikel und ein Silizium-basiertes Gel als Ausgangsbasis für den Fertigungsprozess. Am Ende entstehen kohlestoffüberzogene Siliziumkriställchen in einer dreidimensionalen, hochporösen Struktur. Die daraus bestehenden Anoden zeigen eine hohe Ladekapazität und erlauben den Forschern zufolge schnelle Lade- und Entladevorgänge.

Die Entwicklung der Koreaner ist das Ergebnis eine von vielen Forschungsbemühungen, die an Siliziumanoden arbeiten. “Wir verfolgen hier in Graz einen ähnlichen Ansatz”, sagt Schmuck. Einen ganz anderen Weg ist dagegen ein Team der US-Universität Stanford gegangen, das im Dezember 2007 eine Verarbeitung des Siliziums in Nanodraht-Form vorgestellt hat.

Wirklich optimale Akkus lassen sich aber allein durch bessere Anoden nicht verwirklichen, warnt Schmuck. “Es muss auch an der Kathode gearbeitet werden”, betont der. Hier werde international Grundlagenforschung betrieben, die langfristig Kathodenmaterialien mit eine drei bis vier Mal höheren Kapazität in Aussicht stellt. Außerdem wird daran gearbeitet, die genutzte Zellenspannung zu steigern, da auch das leistungsfähigere Akkus verspricht. “Daran zeigt auch die Industrie Interesse”, so Schmuck. Ferner beeinflusst auch das im Akkumulator genutzte Elektrolyt, wie viel Energie letztendlich gespeichert werden kann.