Mehr Akkustrom mit Silizium

  • 11. October 2016

Amorphes Silizium für haltbare Anoden in Lithiumionenakkus.

Demnächst enthalten Lithium­ionenakku­mulatoren möglicher­weise keine Anode aus Graphit mehr. Silizium als Anoden­material bietet eine viel höhere Ladungs­kapazität, aber seine Kristal­linität war bislang von Nachteil. Chinesische Wissen­schaftler stellten nun eine poröse amorphe Silizium­modifikation vor, die anderen Anoden­materialen in wieder­aufladbaren Batterien deutlich überlegen sein könnte.

Abb.: Poröses, amorphes Silizium als Anodenmaterial zeigt eine hohe Zyklenfestigkeit. (Bild: Ang. Chem. / Wiley VCH)

Abb.: Poröses, amorphes Silizium als Anodenmaterial zeigt eine hohe Zyklenfestigkeit. (Bild: Ang. Chem. / Wiley VCH)

Die derzeit gängigste Anode in Lithium­ionenakku­mulatoren besteht aus Kohlen­stoff in seiner Graphit­modifikation. Allerdings hat ausgerechnet Graphit eine relativ niedrige Ladungs­kapazität. Weitere bekannte Probleme von Lithium­ionen­batterien sind eine geringe Zyklen­anzahl, steigender interner Wider­stand während der Lade­zyklen, Alterung sowie Sicherheits­aspekte. Die nächst­liegende Alternative zu Kohlenstoff wäre Silizium, das eine fast zehnfach höhere theo­retische Ladungs­kapazität als Graphit bietet. Der Lade- und Entlade­vorgang wird jedoch zum Problem: Ausdehnen und Schrumpfen bei den Zyklen führt zu Pulve­risierung und Kapazitäts­einbruch. Jian Yang und seine Kollegen an der Shangdong-Universität in China haben jetzt eine amorphe poröse Silizium­modifikation hergestellt, die diese Nachteile kompen­siert.

Den amorphen Zustand von Silizium zu nehmen, sei eigentlich die logische Konsequenz, weil das Silizium sowieso amorph ende, erläutern die Wissen­schaftler: „Da das Silizium durch die elektro­chemische Lithiierung/Delithi­ierung im Endeffekt amorph wird, ist es sehr attraktiv, es von vorne­herein in diesem Zustand einzu­setzen.“ Gezielt amorphes Silizium herzustellen, ist aber sehr schwierig, besonders wenn einfache Bedin­gungen gefragt sind. Das Verfahren, das die Forscher letztlich fanden, beinhaltet jedoch relativ sichere Ausgangs­materialien wie zum Beispiel einen gängigen Glycol­ether als Lösungs­mittel und leicht hand­habbare Flüssig­keiten. Daher sollte ihr Verfahren insbesondere „für eine künftige Massen­produktion sehr attraktiv“ sein, stellen die Autoren heraus.

Das auf diese Weise herge­stellte amorph-poröse Silizium erfüllte die elektro­chemischen Vorgaben hervorragend. Es besitzt eine dreimal bessere Kapazität als Graphit und eine weit bessere Zyklen­stabilität als kristal­lines Silizium, was die Wissen­schaftler durch die gezielt herge­stellten großen Poren und eine luft­oxidierte Oberfläche erklären können. Und weiteres Potenzial sei vorhanden: Etwas Kohlen­stoff zusätzlich in der Struktur könne nach Aussage der Forscher die elektro­chemische Leistungs­fähigkeit weiter verbessern.

Wiley VCH / JOL

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