Silizium als Kapazitätsbooster

  • 11. August 2016

Mit Silizium ließe sich die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus um das Sechsfache steigern.

Lithium-Ionen-Akkus könnten ihre Kapazität um das Sechsfache erhöhen, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde. Ein Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern. Offenbar reichen schon extrem dünne Silizium-Schichten aus, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren.

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

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

Mit Neutronenmessungen am Institut Laue-Langevin in Grenoble konnten die Forscher zeigen, dass beim Aufladen die Lithium-Ionen nicht tief in das Silizium eindringen, sondern sich vor allem in der unmittelbaren Grenzschicht einlagern: So entsteht eine nur 20 Nanometer dünne Schicht, die extrem viel Lithium enthält. Damit würden schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen.

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, so dass 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.

Nun hat ein Team aus dem HZB-Institut für weiche Materie und funktionale Materialien unter Leitung von Matthias Ballauff erstmals eine Halbzelle aus Lithium und Silizium beim Be- und Entladen direkt beobachtet. „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“, sagt Beatrix-Kamelia Seidlhofer, die die Experimente an der Neutronen­quelle im Institut Laue-Langevin durchgeführt hat.

Dabei fanden sie zwei unterschiedliche Zonen. Nahe der Grenzfläche zum Elektrolyten bildet sich eine etwa zwanzig 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.

Nach dem Entladen bleibt in der Silizium-Grenzschicht zum Elektrolyten etwa ein Lithium-Ion pro Silizium-Platz in der Elektrode zurück. Damit errechnet Beatrix-Kamelia Seidlhofer, dass die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien bei etwa 2300 Milli­ampere­stunden pro Gramm liegt. Das ist mehr als das Sechs­fache 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.

HZB / DE

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